注漿充填技術(shù)在工作面過空巷中的應(yīng)用

李超嵩

(東山東興煤業(yè)有限公司，山西 太原 030006)

由于礦區(qū)無序開采、變更開采設(shè)計(jì)、處理復(fù)雜地質(zhì)等因素，在一些礦井形成了很多廢棄的空巷[1-2]。這些空巷長時(shí)間不維護(hù)，加上風(fēng)化等原因，導(dǎo)致圍巖變形破壞加劇。當(dāng)?shù)V井生產(chǎn)需要通過這些空巷時(shí)，如果不進(jìn)行加固，極易出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿?，?yán)重威脅礦井的生產(chǎn)安全[3-5]。本文針對王莊煤業(yè)3505工作面過空巷實(shí)際情況，提出了采用注漿充填加固技術(shù)，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)踐證明效果良好。

1 工程概況

王莊煤業(yè)3505工作面隸屬35采區(qū)，所采煤層為3號煤層，工作面形狀為“刀把子”，工作面1號切眼段367.5 m，2號切眼段360.5 m，推進(jìn)長度2 016.04 m。煤層平均厚度4.85 m，含1層夾矸，厚度約為0.2 m，煤層層位、厚度穩(wěn)定，傾角1～11°，工作面直接頂為泥巖，平均厚度2.75，基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度6.00 m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.60 m。工作面布置216臺ZY10000/26/55D液壓支架。

在3505工作面中部回風(fēng)巷道側(cè)，局部存在一長度約220 m的放水巷道，現(xiàn)已廢棄密閉。因該放水巷位于3505回采工作面中，影響工作面正常推進(jìn)，如圖1所示。為保證3505回采工作面正常回采，減少空巷對回采工作面的影響，提出對該廢棄巷道進(jìn)行注漿充填的技術(shù)方案。

圖1 3505工作面空巷示意

2 空巷圍巖變形破壞特征

開挖空巷過程中必然會打破巷道的原巖應(yīng)力平衡，出現(xiàn)巷道變形。3505工作面在采動的影響下會加快巷道破壞變形，巷道破壞變形特征大體上可分為如圖2所示的4個(gè)階段：空巷的初始變形—彎曲離層變形—斷裂破壞—垮落破壞。

圖2 空巷圍巖變形破壞特征

由圖2可知， 空巷完全破壞是一個(gè)漸變的過程，巷道在開挖初期產(chǎn)生的變形，隨著時(shí)間的延續(xù)，空巷逐漸變形至離層垮落。不同的變形階段采取的圍巖控制技術(shù)也有一定區(qū)別。在初始變形階段，空巷圍巖變形一般都比較隱蔽，圍巖變形難以得到有效控制。彎曲離層變形階段，要對頂板采取必要的加強(qiáng)支護(hù)，防止其進(jìn)入斷裂、垮落階段造成冒頂后果。因此從空巷圍巖控制的角度出發(fā)，當(dāng)巷道過了初始變形階段便及時(shí)進(jìn)行支護(hù)加固，采用高水材料對空巷區(qū)域及巷道圍巖裂隙進(jìn)行充填是有效的加固技術(shù)。

3 注漿充填加固技術(shù)

3.1 注漿充填加固原理

注漿充填無疑是空巷加固最好的方法，其原理主要是利用注漿充填加固法，營造出一個(gè)再生粘結(jié)體來保證空巷圍巖整體的抗壓能力。根據(jù)空巷的賦存條件，確定再生粘結(jié)體的強(qiáng)度，減緩頂板的壓力下沉量和頂板垮落煤巖層對巷道頂板的沖擊，并能承載垮落的煤巖層，以確保巷道兩幫安全。當(dāng)工作面過空巷時(shí)，采用高水材料對空巷區(qū)域及巷道圍巖裂隙進(jìn)行充填，能夠使充填區(qū)域與圍巖形成一個(gè)共同的整體，當(dāng)工作面回采過程中，充填后的空巷有較強(qiáng)的承載能力，能夠支撐巷道整體的穩(wěn)定性，即使采煤機(jī)采過后破壞了充填體的完整性，剩余的充填體仍具有較高的支撐強(qiáng)度，足以保證巷道頂板的穩(wěn)定性。

3.2 充填材料選擇

充填材料配比選擇原則是在保證安全情況下，考慮經(jīng)濟(jì)效益。因此，3505工作面空巷充填選用A、B材料，比例為1∶1，初凝時(shí)間控制在3～6 min，平均單軸抗壓強(qiáng)度不低于1.5 MPa，材料的水灰比為6∶1，該配比條件下的液體粘稠度非常低，可以像水一樣流動和滲透，只要無墻體阻擋即可流動到空巷內(nèi)所有的低洼處和孔隙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)空巷的全斷面有效支撐。

圖3為水體積分?jǐn)?shù)為91%～97%時(shí)，充填材料固結(jié)受壓后，體積應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖可知，充填體受壓后體積應(yīng)變在160 h時(shí)間內(nèi)變化非常小，位于0.000 75～0.003之間。證明該充填材料含水率高，內(nèi)部裂隙少，受壓后可縮性小。在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，充填體受到巷道圍壓情況下不會發(fā)生大的變形，能夠?qū)ο锏绹鷰r起到很好的支撐作用。

圖3 不同含水量下高水材料充填體體積形變隨時(shí)間變化

3.3 充填方案設(shè)計(jì)

由于3505工作面空巷尺寸不統(tǒng)一，因此充填方案采用分段阻隔充填法進(jìn)行充填。按照巷道尺寸不同將空巷劃分為6個(gè)區(qū)域，如圖4所示。每個(gè)區(qū)域分割出構(gòu)筑止?jié){墻，其中一段巷道長28 m、寬5 m、高5 m，二段巷道長29.5 m、寬2.5 m、高3 m，三段巷道長139 m、寬2.5 m、高3 m，四段巷道長20.5 m、寬2.5 m、高3.5 m，五段長17.5 m、寬2.5 m、高3 m，六段長48.5 m、寬3 m、高3 m。止?jié){墻厚1.5 m，止?jié){墻構(gòu)筑完成24 h后方可進(jìn)行充填作業(yè)，各區(qū)域注漿充填量如表1所示。

圖4 分段阻隔充填法示意

表1 不同區(qū)域注漿充填量

4 應(yīng)用效果

為了確定充填效果，在3505工作面過空巷期間對支架壓力進(jìn)行了分析。圖5為工作面距空巷不同距離時(shí)，空巷范圍內(nèi)支架壓力變化情況。由圖5可知，工作面距離空巷23 m時(shí)，支架工作阻力開始逐漸增加，當(dāng)工作面推進(jìn)至空巷區(qū)域內(nèi)時(shí)，支架工作阻力達(dá)到最大，壓力為11 532 kN,工作面通過空巷后，支架工作阻力逐漸減小，通過空巷20 m后支架工作阻力降低到6 267 kN,之后壓力正常波動。由此可見空巷前后20 m范圍內(nèi)為應(yīng)力影響區(qū)域。

圖5 3505工作面過空巷期間支架工作阻力變化

總之，王莊煤業(yè)3505工作面過空巷的應(yīng)用實(shí)踐證明，在分析空巷變形破壞特征基礎(chǔ)上提出的空巷注漿充填加固技術(shù)，由于充填方案設(shè)計(jì)合理，充填材料配比恰當(dāng)，使得現(xiàn)場實(shí)施效果良好，表明注漿充填加固技術(shù)可以提高工作面過空巷期間圍巖的穩(wěn)定性，對3505工作面安全順利通過空巷提供了極大的安全保障。