高水充填材料在綜采工作面過空巷中的應(yīng)用分析

韓 陟

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 介休 032000）

引言

空巷一般指采面開采設(shè)計(jì)變更或者小煤窯無序開采而遺留的廢棄巷道。采面回采范圍內(nèi)存在空巷會給采面回采安全帶來較大威脅[1-2]?，F(xiàn)階段礦井常用的過空巷技術(shù)包括有架設(shè)單體、木垛、充填等方式對空巷圍巖進(jìn)行支護(hù)[3]。若采用單體支護(hù)空巷頂板往往導(dǎo)致單體出現(xiàn)損壞，約有35%單體無法實(shí)現(xiàn)回收利用；使用木垛支護(hù)木垛頂板時(shí)支護(hù)強(qiáng)度較低，容易出現(xiàn)壓垮事故；采用充填方式支護(hù)空巷雖然可滿足空巷圍巖控制需要，但是也存在成本高、人力及物力資源投入量大等問題[4-6]。為此，文中以山西某礦11105 綜采工作面過空巷為工程背景，提出采用高水充填墩柱對空巷頂板巖層進(jìn)行支護(hù)，實(shí)現(xiàn)了采面安全、快速過空巷，取得較好應(yīng)用成果。

1 11105 綜采工作面工程概況

11105 綜采工作面位于南翼一采區(qū)，采面南側(cè)為已經(jīng)回采完畢的11103 采空區(qū)、北側(cè)為實(shí)體煤，西側(cè)為采區(qū)集中運(yùn)輸、軌道等巷道，東側(cè)為采區(qū)邊界保護(hù)煤柱。11105 工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)距離為950 m，采面斜長165 m，開采的11 號煤層埋深平均375 m，厚度3.2 m、傾角5°。在11105 綜采工作面回采范圍內(nèi)有一條歷史遺留空巷，該空巷廢棄時(shí)間已超過3 年，斷面為矩形，凈寬、凈高分別為4.8 m、3.2 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，具體空巷與工作面位置關(guān)系見圖1。11 號煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，具體巖性參數(shù)見表1。

表1 11 號煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)

圖1 采面空巷位置示意圖

采面回采使用的主要綜采設(shè)備有MG400/920-WD 采煤機(jī)、ZY5600/21/46D 液壓支架、SGZ800/800 刮板輸送機(jī)，采煤機(jī)平均每天割5 刀，推進(jìn)速度平均為4.0 m/d。為了確保采面安全通過空巷，采用高水充填墩柱方式對空巷巖層進(jìn)行支護(hù)。

2 高水充填墩柱應(yīng)用分析

2.1 高水材料性能分析

高水充填墩柱內(nèi)充填的高水材料分為甲、乙兩種料以及加甲、加乙兩種輔料。具體材料制備時(shí)甲料、加甲，乙料、加乙料分別有各自的攪拌系統(tǒng)混合，并通過高壓軟管運(yùn)輸，在墩柱充填袋內(nèi)混合。采用的高水充填材料具有下述主要特點(diǎn)：

1）兩種漿液混合前不會出現(xiàn)沉淀、沁水、凝固問題；

2）兩種漿液混合完成5 min 內(nèi)即可失去流動(dòng)性，15 min 內(nèi)即可固化；

3）漿液在混合完成2 h 后抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到8～15 MPa；

4）漿液水灰質(zhì)量比調(diào)整范圍較大，在0.5∶1～2.0∶1 時(shí)漿液結(jié)石率均為100%。具體實(shí)驗(yàn)室獲取到的高水材料水灰質(zhì)量比1.5∶1 時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變變化曲線如下頁圖2 所示。

圖2 高水材料應(yīng)力、應(yīng)變變化曲線

從圖中看出，高水充填材料在較大壓力作用下雖然有一定的應(yīng)變，但是仍有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度。使用高水充填材料對空巷頂板巖層進(jìn)行控制時(shí)，可允許頂板有一定的下沉，可確保工作面順利通過。

2.2 空巷支護(hù)方案

在采面與空巷間距相距120 m 以上，即在空巷內(nèi)構(gòu)筑高水充填墩柱對空巷進(jìn)行支護(hù)。構(gòu)筑的高水充填墩柱直徑為1.0 m 圓柱，高度與空巷高度一致。支護(hù)外殼由柔性充填袋、鋼筋網(wǎng)構(gòu)成，同時(shí)在高水充填材料灌注時(shí)可與臨時(shí)模板配合使用。具體在空巷內(nèi)布置的高水充填墩柱按照5.0 m×2.0 m 間排距安排，并呈五花布置形式，具體墩柱布置見圖3 所示。

圖3 高水充填墩柱布置示意圖（單位：mm）

2.3 高水充填墩柱施工工藝

在進(jìn)行高水充填墩柱施工前應(yīng)對空巷進(jìn)行修整，確保行人、材料以及通風(fēng)等通暢，給作業(yè)人員安全施工創(chuàng)造良好條件。整個(gè)高水充填墩施工由空巷內(nèi)側(cè)向外側(cè)依次進(jìn)行（即有采面回風(fēng)巷向運(yùn)輸巷方向施工）。在施工前應(yīng)確定好墩柱施工點(diǎn)位置并布置好充填系統(tǒng)。具體墩柱施工時(shí)，可先將充填袋懸掛到巷道頂板上，以便高水充填墩柱與頂板更好接觸。

在空巷內(nèi)施工高水充填墩柱時(shí)使用到的設(shè)備包括有：雙液注漿泵、高（低）速攪拌機(jī)、水箱等，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4 所示。高水充填系統(tǒng)泵送能力為6.0 m3/h，現(xiàn)場布置2 套充填灌注系統(tǒng)，每班可完成72 m3高水充填材料灌注，每天可灌注144 m3。空巷內(nèi)布置的高水充填墩柱可耗時(shí)3 d 即可完成施工。

圖4 高水材料充填系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 空巷圍巖控制效果分析

在11105 綜采工作面空巷內(nèi)完成高水充填墩柱施工后，空巷頂板巖層穩(wěn)定性得以有效提升，采面過空巷期間未出現(xiàn)頂板冒落、液壓支架壓死以及煤壁大面積片幫等礦壓異常顯現(xiàn)情況。在采面過空巷期間對空巷頂?shù)装遄冃瘟窟M(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)頂板最大下沉量為56 mm、底鼓量最大為20 mm，采用高水充填墩柱可有效控制空巷內(nèi)頂?shù)装鍘r性變形量。

3 結(jié)論

11105 綜采工作面回采范圍內(nèi)存在有空巷，若不采取措施控制空巷變形，則采面過空巷期間容易出現(xiàn)冒頂、煤壁片幫或者支架壓死等問題，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，文中提出使用高水充填材料對空巷圍巖進(jìn)行控制，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，取得主要成果為：

1）高水充填材料具備較強(qiáng)的抗壓能力以及抗變形能力，在空巷內(nèi)施工的高水充填墩柱可滿足空巷頂板巖層控制需要。

2）11105 綜采工作面埋深平均為375 m，采面回采期間礦壓顯現(xiàn)不明顯，根據(jù)空巷圍巖變形情況以及采面礦壓顯現(xiàn)情況，對高水充填墩柱布置方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體在空巷內(nèi)布置2 排直徑1.0 m 的高水充填墩柱，并按照5.0 m×2.0 m 間排距布置。詳細(xì)對高水充填墩柱充填系統(tǒng)以及施工工藝進(jìn)行闡述。

3）工作面內(nèi)布置的高水充填墩柱3 d 即可完成施工，整個(gè)空巷支護(hù)耗時(shí)時(shí)間短，不會給采面正常回采帶來影響。采面過空巷期間空巷頂板、底板變形量分別控制在56 mm、20 mm 以內(nèi)，未出現(xiàn)頂板冒落、大面積片幫以及液壓支架異常受力等礦壓異常顯現(xiàn)問題，現(xiàn)場取得較好應(yīng)用成果。