煤礦放水巷高水充填方法研究

馬漢文

(潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046200)

對(duì)于地下煤礦開采而言，廢棄空巷的存在往往對(duì)工作面推進(jìn)構(gòu)成嚴(yán)重影響，易發(fā)生冒頂及壓架情況[1-2]，為此對(duì)廢棄空巷進(jìn)行及時(shí)處理是非常必要的。以往的處理方法，包括在空巷內(nèi)架設(shè)木支架及單體支柱等，均達(dá)不到良好的支護(hù)效果[3-4]。近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)高水充填技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究：楊勇指出水力泵送充填工藝與自行移動(dòng)式充填支架相結(jié)合，可有效保障高水充填材料所具有的速凝早強(qiáng)、支護(hù)強(qiáng)度高及密閉性好等性能[5]；洛建軍指出采用新型高水材料，能夠克服膏體材料的各項(xiàng)弊端，具有施工效果好、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[6]；卞卡等提出了高水充填材料全斷面充填技術(shù)及墩柱加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，為綜采工作面過(guò)空巷提供了一種安全高效的解決途徑[7]。對(duì)于工作面內(nèi)廢棄空巷的處理，高水充填技術(shù)逐漸成為了主流的發(fā)展方向[8-9]。本文以某礦3505工作面為研究對(duì)象，對(duì)工作面內(nèi)存在的放水巷進(jìn)行了高水充填方法研究，以保障工作面安全高效開采。

1 工作面概況

某礦主采3號(hào)煤層3505工作面，工作面長(zhǎng)度為2 017 m，煤層平均厚度約5 m，最大傾角10°左右。該工作面在回風(fēng)巷與主運(yùn)巷間有1個(gè)放水巷，長(zhǎng)度約220 m，對(duì)工作面的正常推進(jìn)構(gòu)成不利影響，工作面布置情況見圖1。

圖1 工作面布置情況

該放水巷道完成任務(wù)后，進(jìn)行了密閉處理，隨著時(shí)間的推移，廢棄巷道內(nèi)將逐漸積聚瓦斯、硫化氫等有毒有害氣體，同時(shí)圍巖強(qiáng)度降低易引發(fā)空巷頂板垮落，影響周圍圍巖應(yīng)力。放水巷如不及時(shí)治理，當(dāng)工作面推進(jìn)時(shí)，易引發(fā)安全事故，造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)廢棄空巷進(jìn)行充填，可加固圍巖頂板和巷道，同時(shí)逐步擠壓有毒有害氣體的空間，對(duì)保證礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

2 高水充填材料特性分析

為保障3505放水巷充填效果，需對(duì)所使用的高水材料進(jìn)行研究。高水材料是指水體積份額可達(dá)93%～96%(水灰比約6.5∶1～11∶1)的水硬性材料。抗壓強(qiáng)度變化情況見圖2，高水充填材料固結(jié)體早強(qiáng)特征明顯，隨著水體積的增加，材料的抗壓強(qiáng)度不斷減小，兩者呈負(fù)相關(guān)變化趨勢(shì)，早期強(qiáng)度在5 h、20 h及8 d分別達(dá)到最終強(qiáng)度的18%、42%和93%，8 d后強(qiáng)度穩(wěn)定。體積應(yīng)變變化情況見圖3，體積應(yīng)變整體變化較小，說(shuō)明受壓性良好，適合用于空巷充填作業(yè)。

圖2 抗壓強(qiáng)度變化情況

圖3 體積應(yīng)變變化情況

3 3505放水巷高水充填方法

3.1 充填設(shè)備選擇

根據(jù)3505放水巷巷道具體地質(zhì)條件和充填注漿施工工藝的技術(shù)要求，本方案設(shè)計(jì)采取現(xiàn)場(chǎng)近距離制漿、短距離管道輸送、大流量小壓力注漿施工。注漿設(shè)備選用ZBYSB320/8-22型煤礦用雙液變量注漿泵，性能指標(biāo)見表1。

表1 雙液充填泵性能指標(biāo)

3.2 充填參數(shù)的確定

根據(jù)某礦3505放水巷位置及鄰近工作面條件，針對(duì)廢棄巷道內(nèi)部充填選用超高水充填材料，與水配比形成液態(tài)充填材料，通過(guò)注漿泵進(jìn)行注漿充填施工。所選材料水灰比(5～7)∶1，單軸抗壓強(qiáng)度不低于1.5 MPa，初凝時(shí)間為3～6 min，通過(guò)鉆孔注漿可按設(shè)計(jì)高度和范圍進(jìn)行充填，煤體經(jīng)注漿加固后形成的再生體，其平均強(qiáng)度能夠達(dá)到1.5 MPa左右。終孔注漿壓力取4～10 MPa，漿液最終擴(kuò)散高度4.5～5 m，單向流動(dòng)距離控制在12～15 m。依據(jù)裂隙情況，適當(dāng)增加注漿量來(lái)提高強(qiáng)度，注漿加固并充填高水材料直至飽滿上壓。通過(guò)上述注漿充填與加固方法，在巷道和空巷內(nèi)形成高水材料的固結(jié)體與煤巖體的膠結(jié)再生體，可有效提高固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和整體抗變形能力。

3.3 充填作業(yè)施工方法

高水材料空巷充填包括充填泵站與充填點(diǎn)兩部分。注漿充填設(shè)備布置方式見圖4，其中制漿站需要建立在通風(fēng)良好、運(yùn)輸環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單的地區(qū)。

圖4 注漿充填設(shè)備布置方式

充填區(qū)域分6段進(jìn)行。一段巷道高5 m；二至六段巷道高3.5 m。在3505回風(fēng)巷煤壁打孔，打孔位置距頂板1 m，垂直煤壁90°，排距10 m，見圖5。

圖5 注漿孔示意

注漿前先沿回風(fēng)巷走向每隔10 m在回風(fēng)巷工作面?zhèn)燃缃俏恢貌捎肅MM2-20型液壓錨桿鉆車鉆孔，注漿孔眼口高度距頂板1 m，注漿孔水平布置，鉆孔直徑50 mm，鉆孔深度52 m，注漿孔埋入注漿管，注漿管長(zhǎng)3 m，注漿鋼管直徑42 mm。采用分段阻隔充填方式，見圖6。

圖6 分段阻隔充填法示意

為了保證注漿效果，共分兩次循環(huán)注漿：第一次注漿孔每隔10 m布置1個(gè)，注漿結(jié)束后，在之前的注漿孔中間再補(bǔ)1個(gè)注漿孔，保證總注漿孔間距達(dá)到5 m。

4 方案實(shí)施效果分析

放水巷充填完成后，分析了工作面支架阻力，見圖7。可以看出，支架工作阻力整體呈現(xiàn)駝峰形變化特征。在距離空巷30～100 m時(shí)，支架阻力呈現(xiàn)小范圍波動(dòng)，最大阻力為7 324 kN；距空巷0～30 m時(shí)，支架工作阻力快速升高，在到達(dá)空巷時(shí)達(dá)到峰值，為11 514 kN；過(guò)空巷后，在-30～0 m范圍內(nèi)，阻力迅速降低至6 195 kN；過(guò)空巷-100～-30 m范圍內(nèi)，支架阻力平穩(wěn)波動(dòng)。結(jié)果表明空巷前后主要應(yīng)力影響范圍為30 m。

圖7 過(guò)空巷期間支架工作阻力變化情況

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，過(guò)空巷前后，工作面沒(méi)有產(chǎn)生明顯的片幫情況；對(duì)支架相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，僅少數(shù)支架發(fā)生了50～150 mm的下沉情況，安全閥已啟動(dòng)，工作面穩(wěn)定，狀態(tài)良好。說(shuō)明對(duì)放水巷進(jìn)行高水充填取得了較好的效果，保障了作業(yè)面工作安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 高水充填材料固結(jié)體早強(qiáng)特征明顯，隨著水體積的增加，材料的抗壓強(qiáng)度不斷減小。材料體積應(yīng)變整體變化較小，說(shuō)明受壓性良好，適合用于空巷充填作業(yè)。

2) 針對(duì)某礦3505放水巷實(shí)際條件，給出了合理的充填設(shè)備、充填參數(shù)的確定方法以及充填作業(yè)的施工方法，有效保障了固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和整體抗變形能力。

3) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，放水巷充填完成后，3505工作面過(guò)空巷前后，支架阻力呈現(xiàn)為駝峰形變化特征，影響范圍僅為30 m，并且工作面穩(wěn)定性良好，該充填方法保障了工作面作業(yè)安全。