綜采工作面過老巷注漿充填技術(shù)研究

徐 亮，高 楊，楊高林，李 鵬

(1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云岡礦，山西 大同 037017；2.西安森蘭科貿(mào)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

0 引言

在煤礦開采中，往往遇到各種各樣的老巷。一些是特厚煤層分層開采時(shí)，先期開采分層形成的；一些是為滿足行人、通風(fēng)、運(yùn)輸、安裝、檢修、回撤、探放水等工程需要而掘進(jìn)的；一些是臨時(shí)輔助性巷道；還有一些是回收煤柱時(shí)遇到的采區(qū)上下山、輔助巷等老巷。這些老巷有的因圍巖受采掘多次擾動(dòng)而變形、破壞[1]，有的可能因?yàn)殚L期缺乏維護(hù)而支護(hù)失效，有的可能積聚水、瓦斯和其他有害氣體。老巷的存在給工作面帶來較多安全隱患，當(dāng)工作面推進(jìn)到已片幫、冒頂?shù)睦舷锔浇鼤r(shí)，由于老巷原有支護(hù)難以承受工作面超前支承壓力，巷道頂板垮落，引起冒頂、片幫、壓死支架等事故；工作面推進(jìn)至底板老巷時(shí)，易發(fā)生支柱鉆底、支架下陷等，嚴(yán)重影響工作面的推進(jìn)[2]。

1 工程概況

同煤云岡礦為高瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，自燃傾向性為I級。8637綜采工作面位于12號煤層406盤區(qū)，煤層平均厚度5.5 m，煤層傾角為6.5°,采用綜采工藝沿頂留底開采，采高3 m。工作面長度為90.9 m，走向長度為702.8 m，可采儲(chǔ)量為2.34×105t。根據(jù)礦井相關(guān)資料及采掘過程揭露情況，8637工作面前方240 m處，原406-2皮帶巷及2條原分煤系統(tǒng)3條老巷呈“倒F”形分布于煤層底部，如圖1所示。老巷寬度4～6 m，高度約3 m，由于長期缺乏維護(hù)，支護(hù)銹蝕嚴(yán)重，且底板高低不平有部分積水，為上部工作面安全開采帶來隱患。若強(qiáng)行通過老巷區(qū)域，安全風(fēng)險(xiǎn)極大；若重新開切眼，則增加搬家倒面一次，耗工費(fèi)料且會(huì)丟失部分煤炭資源。經(jīng)充分調(diào)研，3條老巷皆位于工作面割煤底板線以下，為保證8637綜采工作面能夠連續(xù)、安全推進(jìn)，決定采用粉煤灰水泥漿液注漿充填的方式對底層老巷進(jìn)行全部充填。

圖1 8637工作面老巷位置示意Fig.1 Location of old roadway in No.8637 working face

2 漿液材料及參數(shù)

2.1 水灰比的確定

粉煤灰水泥注漿充填是將水泥、粉煤灰和水按一定比例混合制漿，將漿液在一定壓力下，通過鉆孔或管路自流或加壓輸送到待充填地點(diǎn)。其主要原理是：在漿液出口前端通過三通將一定比例外加劑注入漿液管路中，外加劑會(huì)與水泥粉煤灰漿液之間發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使?jié){液在特定時(shí)間快速固結(jié)，形成具有一定強(qiáng)度、水穩(wěn)性及整體性的結(jié)石體，從而使采空區(qū)得到半充填或完全充填。在施工過程中，水泥粉煤灰漿液濃度過大會(huì)造成管路堵塞問題；漿液濃度過小又會(huì)造成結(jié)石體結(jié)石率低、強(qiáng)度低等問題。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，一般采用水灰比2∶1的漿液進(jìn)行充填老巷最佳。

2.2 膠凝固化劑的選用

未添加外加劑的水泥粉煤灰漿液到達(dá)充填點(diǎn)后靜置會(huì)造成固體沉淀、水在上層析出的固液分離現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)漿液固結(jié)達(dá)到充填的效果。通過添加外加劑，漿液到達(dá)充填點(diǎn)后，外加劑與水泥粉煤灰漿液發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，漿液迅速固結(jié)，形成具有一定強(qiáng)度的結(jié)石體，達(dá)到充填的效果。

膠凝固化劑是一種兼具開發(fā)價(jià)值及應(yīng)用前景的環(huán)境友好型灌漿充填外加劑。該材料自身具有一定的阻燃性，常溫下在空氣中能夠與空氣中的CO2氣體和水作用生成凝膠。將該材料添加至水泥粉煤灰漿液中，能夠?qū)⑺喾勖夯覞{液快速固結(jié)，同時(shí)能夠提高漿液結(jié)石率和基體強(qiáng)度。膠凝固化劑具有凝結(jié)時(shí)間可調(diào)，強(qiáng)度可控的優(yōu)點(diǎn)，在整個(gè)施工過程中不產(chǎn)生熱量，不會(huì)造成安全隱患。因此，選擇膠凝固化劑作為灌漿充填外加劑。

2.3 粉煤灰摻量的確定

為了保證既能摻入大量的粉煤灰、節(jié)約水泥、降低工程成本，又能滿足老巷注漿充填工程設(shè)計(jì)上的要求，研究小組在添加同比例的膠凝固化劑的條件下，分別從漿液結(jié)石率、充填體抗壓強(qiáng)度兩方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，以確定粉煤灰摻量。

2.3.1 根據(jù)漿液結(jié)石率確定

水泥粉煤灰漿液固結(jié)時(shí)，析水率越低，結(jié)石率越高，穩(wěn)定性越好，越有利于注漿老巷充填。經(jīng)試驗(yàn)，在漿液中加入特定比例的膠凝劑固化劑后，不同粉煤灰摻量下的漿液析水率如圖2所示。

圖2 漿液析水率與粉煤灰摻量的關(guān)系Fig.2 Relationship between water separation rate of slurry and the amount of fly ash

由圖2可知，當(dāng)粉煤灰摻量大于50%后，漿液析水率越趨近于2%上下，即漿液結(jié)石率趨于恒定98%左右。由此可確定粉煤灰摻量至少50%。

2.3.2 根據(jù)充填體抗壓強(qiáng)度確定

表1為相同比例的膠凝固化劑、相同水灰比(2∶1)、不同粉煤灰摻量下漿體試塊的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果。

表1 不同粉煤灰摻量下漿體試塊的抗壓強(qiáng)度Table 1 Compressive strength of mortar test-block with different fly ash content

根據(jù)設(shè)計(jì)單位計(jì)算，充填體強(qiáng)度大于2 MPa即可滿足工作面安全回采要求。由表1可知：①各試驗(yàn)方案抗壓強(qiáng)度均滿足要求；②結(jié)合2.3.1，方案4、方案5、方案6粉煤灰摻量均滿足結(jié)石率要求；③方案6成塊效果較差。因此，方案5為最優(yōu)方案，此時(shí)粉煤灰摻量為67%(即水泥與粉煤灰質(zhì)量比為1∶2)，試塊抗壓強(qiáng)度為5.3 MPa，且漿液結(jié)石率高、成塊效果好，可滿足工程需要。

經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)段實(shí)測，漿液結(jié)石率較高，充填體抗壓強(qiáng)度高于6 MPa，完全滿足工程需要。

3 方案的實(shí)施

3.1 分段施工方法

根據(jù)試驗(yàn)，漿液水灰比為2∶1，水泥粉煤灰質(zhì)量比1∶2時(shí)，漿液初凝時(shí)間為10 min，終凝時(shí)間24 h。施工綜合考慮注漿系統(tǒng)流量、流速、水力坡度及老巷底板條件，設(shè)計(jì)采用分段施工方法，每個(gè)施工段長20～50 m，以簡易隔墻分割。隔墻采用“板墻+風(fēng)障”的模式，利用廢舊風(fēng)筒布，將其釘牢于板墻上，周邊抹黃泥，以防止跑漿，保障充填效果。

具體分段施工要點(diǎn)如下：根據(jù)老巷實(shí)際情況以及施工進(jìn)度計(jì)劃合理分段，繪制老巷分段性充填施工平面布置圖；根據(jù)上部工作面采高，在老巷中標(biāo)定工作面割煤底板線，以此作為充填線，充填線下全部充填；根據(jù)老巷與工作面及其他巷道的空間關(guān)系、老巷支護(hù)方式及斷面等參數(shù)，估算充填工程量，并根據(jù)實(shí)際施工情況及時(shí)調(diào)整。

3.2 注漿充填工藝流程

注漿工藝流程主要包括制漿、注膠(膠凝固化劑)、注漿、清洗設(shè)備等工序。注漿作業(yè)分為地面和井下2部分，地面部分制漿，井下部分注膠。設(shè)備主要有貯灰罐、螺旋輸送機(jī)、膠體制備機(jī)、緩沖池、阻化泵等。注漿充填工藝流程如圖3所示。

圖3 注漿充填工藝流程Fig.3 Grouting filling process

3.3 施工步驟

①在老巷中執(zhí)行“先通風(fēng)、再檢測、后作業(yè)”的作業(yè)要求，做好施工準(zhǔn)備工作；②將粉煤灰貯罐內(nèi)裝滿粉煤灰，水泥貯罐內(nèi)裝滿水泥；③打開供水閥門，開啟清水泵，根據(jù)計(jì)劃注漿的流量和濃度調(diào)整水量，給膠體制備機(jī)通水一段時(shí)間；④打開粉煤灰貯罐和水泥貯罐下料口閘門，粉煤灰和水泥落入物料旋轉(zhuǎn)閥，物料旋轉(zhuǎn)閥按已設(shè)定的下料量把粉煤灰和水泥分別均勻送入螺旋輸送機(jī)；⑤螺旋輸送機(jī)把粉煤灰和水泥轉(zhuǎn)運(yùn)至膠體制備機(jī)；⑥膠體制備機(jī)把水泥、粉煤灰與水混合、攪拌均勻制成漿液，通過出漿管自流進(jìn)入緩沖池；⑦緩沖池內(nèi)漿液通過自流或泵送至井下注漿地點(diǎn)；⑧當(dāng)漿液到達(dá)井下注漿地點(diǎn)附近時(shí)，使用礦用阻化泵在灌漿管網(wǎng)中添加一定量的膠凝固化劑，可使?jié){液快速固結(jié)，同時(shí)能夠提高漿液結(jié)石率和基體強(qiáng)度，起到充填加固的作用。

4 結(jié)論

(1)采用膠凝固化劑作為粉煤灰水泥漿液添加劑，可使?jié){液快速固結(jié)，同時(shí)能夠提高漿液結(jié)石率和基體強(qiáng)度。針對材料選擇及配比這一難點(diǎn)，綜合考慮了漿液流動(dòng)性、結(jié)石率以及充填體強(qiáng)度等因素，通過室內(nèi)與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)合驗(yàn)證，使得最優(yōu)配方的確定更切合工程實(shí)際。

(2)綜合考慮注漿系統(tǒng)流量、流速、水力坡度以及老巷底板條件，采用了簡易隔墻分段施工方法，提高了充填效率，保證了充填效果。不僅充填了老巷全部空間，保證工作面安全生產(chǎn)，而且老巷內(nèi)部裂隙也得到了充分充填，大大降低了老巷瓦斯突出的可能。

(3)水泥粉煤灰漿材的研究與應(yīng)用，有利于變廢為寶，開發(fā)新的注漿材料，擴(kuò)大粉煤灰的應(yīng)用領(lǐng)域，帶來較大社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益，符合國家“綠色開采”理念。采用注漿充填技術(shù)，充分考慮了處理效果、經(jīng)濟(jì)成本、安全可靠等方面因素，并通過了實(shí)踐驗(yàn)證，對類似工程有一定的推廣意義。