回收煤柱工作面過橫川堆煤膠結(jié)充填技術(shù)研究

張勇峰

（晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000）

我國(guó)大多數(shù)礦井采用走向長(zhǎng)壁開采，留區(qū)段保護(hù)煤柱方式維護(hù)回采巷道。因此，大部分礦井都要在相鄰兩個(gè)工作面垮落穩(wěn)定后，進(jìn)行煤柱回收工作。回采巷道掘進(jìn)一般采用雙巷掘進(jìn)，每隔50～150 m掘進(jìn)一條橫川，用于通風(fēng)、運(yùn)料，工作面回采后對(duì)橫川兩端永久密閉。將來回收煤柱布置工作面，將要穿過這些橫川，對(duì)回采造成嚴(yán)重影響，極容易發(fā)生片幫、冒頂事故，必須進(jìn)行治理[1-3]。本文以趙莊煤業(yè)1301 和1302 工作面之間90 m 煤柱回收為工程背景，研究過橫川安全回采技術(shù)。

1 工程背景

趙莊煤業(yè)一盤區(qū)開采3#煤層，煤層平均厚度為 4.5 m，順序開采，目前正在開采第10 個(gè)工作面1310 工作面。1301 工作面和1302 工作面為最先開采的工作面，走向長(zhǎng)度2600 m，保護(hù)煤柱寬度90 m，目前已垮落穩(wěn)定，計(jì)劃對(duì)煤柱進(jìn)行回收。沿兩側(cè)采空區(qū)往里各5 m，采取沿空掘巷方式掘進(jìn)兩條順槽，寬5 m，高4.5 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。煤柱回收工作面布置示意圖如圖1 所示，橫川寬度5 m，高度4.5 m，橫川內(nèi)頂板支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖1 煤柱回收工作面布置示意圖

2 橫川危害及充填方案比選

2.1 橫川危害

橫川高度4.5 m，見頂見底，支護(hù)良好。大采高工作面超前支承壓力影響明顯，由于橫川提供了自由變形空間，當(dāng)工作面與橫川之間距離小于30 m 時(shí)，中間煤體受應(yīng)力集中影響開始發(fā)生明顯變形。隨著回采進(jìn)行，峰值壓力前移，最后10 m 煤體將完全破壞失穩(wěn)，引起片幫，片幫后頂板失去支撐發(fā)生下沉、冒落，工作面停采處理。停采將造成片幫、冒頂加劇，最終形成惡性循環(huán)，甚至被迫撤架重開切眼。工作面與橫川不同距離下破碎狀況如圖3 所示。

圖2 橫川內(nèi)頂板支護(hù)設(shè)計(jì)圖

圖3 工作面與橫川不同距離下破碎狀況

2.2 方案比選

橫川處理方案3個(gè)，包括：充填支柱加強(qiáng)支護(hù)法、高水材料全部充填法、堆煤膠結(jié)充填法。

充填支柱法是部分充填方式，通過快速澆筑水泥柱方式，對(duì)頂板形成支護(hù)，然后對(duì)頂板和兩幫錨索補(bǔ)強(qiáng)，提高整體承載能力。優(yōu)點(diǎn)是充填體積小，施工速度快，節(jié)約材料；缺點(diǎn)是容易在水泥柱位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，也不能限制兩幫變形。

高水材料全部充填法，是采用速凝高水充填材料對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行充填，形成整體承載結(jié)構(gòu)，限制煤幫變形。優(yōu)點(diǎn)是充填體均勻，安全性最好；缺點(diǎn)是材料消耗量大，且大體積充填材料對(duì)煤質(zhì)影響很大。

堆煤膠結(jié)充填方式，是在橫川內(nèi)預(yù)埋注漿管，然后通過鏟車或者拋矸機(jī)往橫川內(nèi)堆煤壓實(shí)，最后通過注漿管進(jìn)行裂隙注漿膠結(jié)。優(yōu)點(diǎn)是充填材料用量小，對(duì)煤質(zhì)影響??；缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，膠結(jié)強(qiáng)度較低。

根據(jù)上述分析，認(rèn)為安全、煤質(zhì)、材料消耗是關(guān)鍵因素，雖然堆煤膠結(jié)方式整體強(qiáng)度偏低，但足以限制煤幫大幅變形，能夠取得良好效果，因此決定采用堆煤膠結(jié)充填方案。

3 堆煤膠結(jié)充填技術(shù)方案

3.1 分段預(yù)埋注漿管

沿空掘巷后，橫川凈長(zhǎng)度剩余70 m。裂隙注漿漿液擴(kuò)散效果差，計(jì)劃分為7 段充填，每段10 m，后退式充填。每段堆煤前提前預(yù)埋2 趟Φ50 mm 高壓注漿膠管，吊掛在頂板最高點(diǎn)，每段之間建立一堵簡(jiǎn)易擋墻，防止漏漿。后退式充填方式如圖4所示。

圖4 后退式充填方式

3.2 堆煤方式

將煤塊采用皮帶運(yùn)輸方式從工作面輸送到橫川口，在橫川內(nèi)布置皮帶和拋矸機(jī)，通過拋矸機(jī)將煤塊堆積到充填空間并簡(jiǎn)單壓實(shí)，頂部500 m 無法堆積部分可以不做處理。每堆一個(gè)階段，停下等待注漿膠結(jié)完成后，再進(jìn)行下一階段施工。

3.3 充填膠結(jié)材料

膠結(jié)材料需要在裂隙中充分流動(dòng)，并且凝固后要有較高的強(qiáng)度。常規(guī)的注漿材料性能主要受制于水灰比，水灰比越小，強(qiáng)度越高，流動(dòng)時(shí)間越短，反之水灰比越大，流動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，但強(qiáng)度越低。

本次采用無機(jī)緩凝注漿材料，分為A 型和B 型，水灰比1.2:1。初始流動(dòng)時(shí)間僅有2～5min，通過外加劑調(diào)整，使其具備30 min良好流動(dòng)性，90 min終凝，8 h 單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到6 MPa，1 d 達(dá)到12 MPa，為最終強(qiáng)度的90%，完全可以滿足工程需求。

3.4 充填系統(tǒng)及工藝參數(shù)

注漿泵站布置在橫川外巷道硐室內(nèi)，包括1 臺(tái)ZBYSB100/20-18.5 kW 液壓注漿泵、4 臺(tái)JB1500 電動(dòng)攪拌桶、A、B料各2個(gè)攪拌桶，采用交替制漿方式，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供漿。兩趟單液管路在充填點(diǎn)位置再進(jìn)行混合，混合管長(zhǎng)度10～15 m。注漿系統(tǒng)及連接示意圖如圖5 所示。

圖5 注漿系統(tǒng)及連接示意圖

注漿充填以充滿為止，為了防止對(duì)擋墻造成損壞，終止壓力2～3 MPa 即可。如果擋墻位置出現(xiàn)漏漿，可以減小水灰比至0.8:1～1:1，縮短漿液凝固時(shí)間，漏漿封堵后，恢復(fù)正常水灰比1.2:1。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

橫川長(zhǎng)度70 m，總體積1575 m3，消耗膠結(jié)充填材料340 t，水灰比1.2:1，漿體總質(zhì)量748 t，漿體密度1.7 t/ m3，則漿體充填體積為440 m3，堆煤充填率為72%。累計(jì)工期40 d。

4.2 效果考察

對(duì)堆煤膠結(jié)充填后填實(shí)率、工作面回采狀況進(jìn)行考察。

（1）填實(shí)率。每個(gè)階段結(jié)束后，采用手持風(fēng)鉆打1～2 個(gè)檢驗(yàn)孔，孔深10 m，對(duì)檢驗(yàn)孔進(jìn)行鉆孔窺視，觀察裂隙發(fā)育情況。發(fā)現(xiàn)鉆孔完整，可見大量充填漿液，如圖6 所示，未發(fā)現(xiàn)未被充填的空白裂隙。然后對(duì)檢驗(yàn)孔進(jìn)行復(fù)注，注漿量極小，注漿體積基本與孔內(nèi)體積相當(dāng)，表明注漿膠結(jié)擴(kuò)散效果良好。

圖6 鉆孔窺視部分結(jié)果

（2）工作面回采狀況。工作面推進(jìn)到橫川前5 m 時(shí)，煤壁未出現(xiàn)破碎、片幫，推進(jìn)到橫川位置時(shí)，煤壁為煤塊與漿體膠結(jié)體，結(jié)合緊密，工作面未發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象，安全通過橫川。

5 結(jié)論

（1）堆煤膠結(jié)充填方式能夠減小充填材料用量，最大限度減輕對(duì)煤質(zhì)影響，限制兩幫變形。

（2）設(shè)計(jì)分段后退式充填工藝，無機(jī)緩凝注漿材料具備30 min 良好流動(dòng)性，8 h 單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到6 MPa，1 d 達(dá)到12 MPa，滿足裂隙擴(kuò)散流動(dòng)性和強(qiáng)度需求。

（3）效果考察表明，堆煤膠結(jié)充填方式填實(shí)程度良好，回采期間發(fā)現(xiàn)煤塊與漿體膠結(jié)良好，未發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象，工作面順利通過橫川。