高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)應(yīng)用研究

趙昕楠

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 礦用油品分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

0 引 言

煤礦沿空留巷技術(shù)通過各個(gè)科研單位的不斷研究和各礦區(qū)試驗(yàn)的不斷改進(jìn)下，已取得一定的成熟經(jīng)驗(yàn)，目前在各大礦區(qū)均有推廣應(yīng)用[1-2]。該技術(shù)主要難點(diǎn)在于結(jié)合礦井實(shí)際選取合適的支護(hù)方式和巷旁充填隔離技術(shù)，以及受采動影響對保留巷道的破壞及維護(hù)成本評估以確定其經(jīng)濟(jì)效益。因此，以常村煤礦沿空留巷用高水材料進(jìn)行巷旁充填技術(shù)應(yīng)用為例，根據(jù)礦井實(shí)際情況選取合適的留巷加固方案和巷旁充填方案，研究充填效果為同類地質(zhì)條件礦井沿空留巷支護(hù)技術(shù)提供參考。

1 概 況

常村煤礦開采的15 號煤層平均厚度1.5 m，煤層硬度系數(shù)f=1.5，直接定（老頂） 為石灰?guī)r，平均厚度8.7 m，硬度系數(shù)f=7.6，煤層底板為泥巖與砂質(zhì)泥巖互層，平均厚度4.5 m，硬度系數(shù)f=3.4。采用沿空留巷的25031 工作面設(shè)計(jì)長度1 480 m，已采700 m，沿空留巷為25031 運(yùn)輸巷，留作25051 工作面回風(fēng)巷，該巷沿煤層頂板掘進(jìn)，支護(hù)形式為錨網(wǎng)索支護(hù)，巷寬3.7 m，高2.6 m。

2 沿空留巷整體技術(shù)

沿空留巷是指工作面回采期間通過沿采空區(qū)保留巷道，將其繼續(xù)作為相鄰工作面回采巷道的一項(xiàng)礦山開采技術(shù)。常村煤礦沿空留巷為25031運(yùn)輸巷，留作25051 工作面回風(fēng)巷，根據(jù)25031工作面老頂來壓規(guī)律觀察，老頂周期來壓步距20 m，受采動影響對回采工作面前、后各100 m 范圍為應(yīng)力集中影響區(qū)，為確保留巷成功，防止應(yīng)力集中對留巷造成破壞，需提前對所留巷道在回采工作面前后100 m 范圍內(nèi)采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及加固措施，巷旁充填需在距回采工作面后方20 m 以外。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式為對巷道加密錨桿支護(hù)及采用單體液壓支柱配合π 型鋼加固，巷旁充填方式為采用高水材料進(jìn)行充填。沿空留巷及巷旁充填如圖1 所示。

圖1 沿空留巷平面示意Fig.1 Gob-side entry

3 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及加固方案

常村煤礦25031 工作面運(yùn)輸巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案為，在原錨網(wǎng)支護(hù)基礎(chǔ)上，對巷道實(shí)煤幫每兩排錨桿間補(bǔ)打1 排錨桿，錨桿間距1 m，錨桿采用φ22 mm×2 400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，采用1支K2350 和1 支Z2350 樹脂錨固端頭劑錨固，錨桿托盤采用φ150 mm×10 mm 蝶形托盤，錨桿螺母預(yù)緊力距不得低于260 N·m，錨桿配合φ12 號圓鋼加工的鋼筋梯子梁支護(hù)。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)如圖2 所示。

圖2 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意Fig.2 Roadway reinforcement

25031 工作面運(yùn)輸巷加固方案為，在回采工作面前后100 m 范圍內(nèi)采用單體液壓支柱配合π 型鋼加固，單體液壓支柱間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排采用4 根單體液壓支柱，每排單體液壓支柱頂部為3.2 m 的π 型鋼梁。加固方案如圖3所示。

圖3 巷道加固示意Fig.3 Roadway reinforcement

4 巷旁高水材料充填方案與工藝

4.1 高水材料特性及配比方案

高水材料具有耐高溫、不可燃、早期強(qiáng)度高、增阻速度快等特點(diǎn)，是一種無污染的環(huán)保達(dá)標(biāo)產(chǎn)品，高水材料不同的水灰配比能夠產(chǎn)生不同強(qiáng)度的凝結(jié)體，且凝結(jié)時(shí)間也不同，可以通過配比實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間的控制，以滿足不同充填工程的需要，例如水灰比2∶1 可以用于沿空留巷、注漿加固、構(gòu)筑密閉墻等，水灰比6∶1 可以用于充填開采，水灰比8∶1～10∶1 的可以用于充填防滅火等[3-4]。根據(jù)高水材料不同配比的適用特性，結(jié)合常村煤礦沿空留巷巷旁充填需要以及工作面地質(zhì)情況和推進(jìn)進(jìn)度綜合考慮，選取水灰比2∶1 為高水材料巷旁充填配比比例。

4.2 巷旁充填方案

根據(jù)常村煤礦25031 工作面運(yùn)輸巷實(shí)際地質(zhì)情況及圍巖力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合巷道規(guī)格、老頂周期來壓、回采工作面推進(jìn)進(jìn)度等數(shù)據(jù)，計(jì)算巷旁充填體寬度為1 m，班充填進(jìn)度為3.2 m。因充填體受25031 采空區(qū)應(yīng)力集中影響及后期25051 工作面推進(jìn)應(yīng)力集中影響（二次采動應(yīng)力集中影響），為保證充填體的承載能力以及抗橫向變形能力，防止二次采動影響造成充填體壓裂、破壞，決定在充填體兩側(cè)采用φ22 mm 螺紋鋼、φ12 mm 的圓鋼及鋼筋網(wǎng)加工制成的金屬骨架，并使用對拉鋼筋固定兩側(cè)骨架，以提高充填體的整體承載能力和抗橫向變形能力。充填體加固金屬骨架如圖4 所示。

高水材料分為甲料和乙料，兩種原料單獨(dú)加水?dāng)嚢杓皢为?dú)運(yùn)輸過程中均不凝固，通過雙料充填泵對兩種經(jīng)過加水配比后的原料輸送至充填位置的充填箱內(nèi)（提前安設(shè)金屬骨架） 進(jìn)行混合，即可實(shí)現(xiàn)快速凝固，短時(shí)間能形成承載能力強(qiáng)的充填體[5]。

圖4 充填體加固金屬骨架Fig.4 Reinforcement of metal skeleton with backfill

4.3 高水材料充填工藝

（1） 材料的準(zhǔn)備和存放。充填前要根據(jù)當(dāng)班充填量準(zhǔn)備充足的甲、乙兩種原料，兩種原料要分開放置，配比用水要保證清潔及取用便利，充填泵要保證清潔及運(yùn)轉(zhuǎn)正常，輸送管路要保證通暢不漏，攪拌桶要有兩用兩備用，金屬骨架要提前加工好放置在現(xiàn)場。

（2） 充填位置的充填前準(zhǔn)備。首先清理充填點(diǎn)的浮煤雜物，檢查充填點(diǎn)支護(hù)情況，錨網(wǎng)支護(hù)體完好情況下將充填位置的單體液壓支柱拆除，然后將兩側(cè)的金屬骨架按充填位置及充填寬度放置到位，并使用對拉鋼筋將兩側(cè)的金屬骨架固定，最后在金屬骨架內(nèi)放入充填袋。

（3） 攪拌及充填。將甲料、乙料分別倒入不同的攪拌桶中，并按照水灰比2∶1 加水?dāng)嚢杈鶆?，然后分別倒入雙料充填泵內(nèi)，經(jīng)過充填泵加壓經(jīng)管路輸送充填點(diǎn)的充填袋內(nèi)混合，充填至充填袋與頂、底板密切接觸并充實(shí)后停止充液，并將充填袋袋口扎緊，防止漏液。高水材料充填工藝流程如圖5 所示。

圖5 高水材料充填工藝流程示意Fig.5 High water material filling process

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

常村煤礦未采用沿空留巷以前，采取留2 m 小煤柱另掘相鄰工作面的回采巷道，影響采區(qū)煤炭回采率，因平均煤厚1.5 m，巷道為半煤巖巷，掘進(jìn)進(jìn)度慢，導(dǎo)致采掘接替緊張。采用沿空留巷后，經(jīng)綜合計(jì)算，在用工方面，沿空留巷前期留巷工程加上后期維護(hù)投入的人工與掘進(jìn)巷道需投入人工持平，但沿空留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)材料以及充填材料僅占掘進(jìn)支護(hù)材料的一半，每米巷道可支護(hù)節(jié)約1 500 余元，沿空留巷實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采，提高了采區(qū)煤炭回采率，每米巷道可多采4.2 t 原煤，價(jià)值3 360元，共計(jì)每米巷道可節(jié)約4 860 元，25031 工作面沿空留巷留出一條巷道（工程量1 480 m） 即可節(jié)約719.28 萬元，給企業(yè)帶來直接經(jīng)濟(jì)效益，另因沿空留巷減少巷道掘進(jìn)工程量，有效緩解甚至避免采掘接替緊張局面，為礦井高效生產(chǎn)提供了保障。

6 結(jié) 語

常村煤礦通過巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、超前加固及高水材料巷旁充填技術(shù)方案進(jìn)行沿空留巷，實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，解決了該礦薄煤層半煤巖巷掘進(jìn)進(jìn)度慢、成本高、采掘接替緊張等問題，并為礦井取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，為礦井后期的沿空留巷奠定了經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，為礦井高效生產(chǎn)提供了保障。