注漿充填技術(shù)在綜采工作面過空巷中的研究應(yīng)用

范衛(wèi)軍

（山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033207）

1 概 況

1.1 工作面概況

王莊煤礦13031 綜采工作面位于該礦13 采區(qū)東翼，工作面北為13051、13071 工作面采空區(qū)，西為13 采區(qū)軌道、膠帶、回風(fēng)上山，東部、南部為礦井井田邊界保護(hù)煤柱。工作面設(shè)計(jì)走向長875 m，傾斜長180 m，工作面主采二1 煤層，煤層厚度3.5～5.2 m，平均4.5 m，煤層傾角6°～18°，平均12°。工作面煤層賦存疏松，屬于典型的松軟不穩(wěn)定煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，不含夾矸，煤層呈黑色，塊狀、粉末狀、鱗片狀，具玻璃光澤，半亮型煤，f=0.15，煤層埋深506～719 m。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 13031 工作面煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Coal seam roof and floor situation of Face No.13031

王莊煤礦13031 工作面運(yùn)輸巷和切巷在掘進(jìn)過程中揭露2 條斷層，為確定斷層的具體產(chǎn)狀，保證工作面掘進(jìn)和回采安全，在工作面掘進(jìn)期間，在距切眼580 m 位置平行于切眼方向施工1 條探巷，用于探查斷層具體情況，探巷與工作面切眼平交（工作面巷道布置如圖1 所示），在工作面回采期間，需跨空巷回采，給工作面頂板和煤壁管理帶來極大困難。

圖1 13031 工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of Face No.13031

1.2 空巷原支護(hù)方式

13031 工作面空巷（探巷） 沿巷道頂板掘進(jìn)，沿煤層傾向布置，巷道總長度130 m，平均坡度10°，巷道斷面寬×高=4 000 mm×3 300 mm，巷道原支護(hù)形式為錨網(wǎng)索支護(hù)，頂部采用φ20 mm×2 400 mm 的左旋無縱筋錨桿支護(hù)，幫部采用φ20 mm×2 000 mm 的左旋無縱筋錨桿支護(hù)，錨桿間排距800mm×900mm，頂部同時布置2 根φ17.8 mm×6 200 mm 錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索間排距1 600 mm×1 800 mm。巷道支護(hù)示意如圖2 所示。

圖2 13031 工作面探巷原巷道支護(hù)示意Fig.2 Roadway support of Face No.13031

2 空巷充填加固強(qiáng)度模擬研究

2.1 模型建立

為保證工作面過空巷期間的安全，提前對空巷采取充填加固措施。為確定巷道充填體的合理強(qiáng)度，結(jié)合13031 工作面地質(zhì)條件和現(xiàn)場實(shí)際情況，利用FLSC3D 軟件建立空巷充填加固三維數(shù)值模型進(jìn)行模擬分析[1-2]。建立模型的規(guī)格尺寸為長×寬×高=240 m×240 m×90 m，其中設(shè)計(jì)煤層厚度為4.5 m，頂板巖層總厚度設(shè)計(jì)為62.5 m，底板巖層厚度設(shè)計(jì)為23 m。模型中，工作面切眼沿模型寬度方向布置，長度為180 m，工作面沿模型長度方向推進(jìn)，模擬向前推進(jìn)回采120 m，工作面空巷設(shè)計(jì)布置在模型左側(cè)。

2.2 模擬試驗(yàn)

模擬試驗(yàn)開始時，首先進(jìn)行13031 工作面回采巷道和切眼的掘進(jìn)及支護(hù)，再進(jìn)行探巷的掘進(jìn)支護(hù)，探巷形成后對巷道內(nèi)充填不同強(qiáng)度的充填體，模擬13031 工作面向前推進(jìn)回采過空巷試驗(yàn)。根據(jù)煤柱寬度不同，模擬試驗(yàn)情況，整理得到如圖3 所示結(jié)果。

圖3 空巷巷道頂?shù)装鍑鷰r變形規(guī)律Fig.3 Surrounding rock deformation law of roof and floor of abandoned roadway

由圖3 模擬結(jié)果分析可知，當(dāng)工作面與空巷之間的煤柱寬度逐漸減小時，空巷巷道圍巖變形范圍和頂?shù)装遄冃瘟恐饾u增大，當(dāng)工作面與空巷之間的煤柱寬度在15 m 以下時，巷道圍巖塑性變形區(qū)域貫穿整個煤柱內(nèi)。根據(jù)空巷巷道頂?shù)装鍑鷰r變形規(guī)律，當(dāng)煤柱寬度小于10 m 后，巷道頂?shù)装鍑鷰r變形量急劇增大，由此可知，工作面與空巷間的煤柱寬度安全值為10 m，若不采取措施對空巷進(jìn)行充填加固，在工作面回采至距空巷小于10 m 位置后，空巷巷道圍巖會產(chǎn)生嚴(yán)重破壞變形，影響工作面安全回采。因此，工作面必須在回采至距空巷大于10 m 位置時，采取充填加固措施，且充填體必須達(dá)到設(shè)計(jì)支護(hù)加固強(qiáng)度。

為確定充填空巷時充填體需達(dá)到的支護(hù)加固強(qiáng)度，模擬工作面距空巷間距5 m，充填體強(qiáng)度分別達(dá)到1～6 MPa 強(qiáng)度時的充填體變化情況。根據(jù)模擬結(jié)果，整理后得到圖4。分析可知，隨著充填體強(qiáng)度的逐漸增大，其整體的壓縮變形量及橫向變形量均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。當(dāng)充填體從2 MPa 增加到4 MPa 時，其變形量明顯減?。划?dāng)充填體強(qiáng)度從4 MPa 增加到6 MPa 時，其變形量變化趨勢明顯減緩。由此可知，在充填體強(qiáng)度達(dá)到4 MPa 時，即可對空巷起到有效支護(hù)加固作用，當(dāng)繼續(xù)增大其強(qiáng)度后，對提高巷道支護(hù)加固強(qiáng)度效果不明顯，而且充填體強(qiáng)度過大，在工作面采煤機(jī)割煤時，增加了割煤難度，因此在對空巷進(jìn)行充填時，充填體強(qiáng)度達(dá)到4 MPa 為最佳。

圖4 不同強(qiáng)度充填體變形曲線Fig.4 Deformation curves of filling bodies with different strength

3 空巷充填技術(shù)

3.1 充填材料選取

在選取空巷充填材料時不僅要考慮充填效果，還要考慮材料用量及成本因素。目前礦井常用的充填材料主要有樹脂化學(xué)材料、水泥砂漿及高水材料等，其中樹脂化學(xué)材料一般都會產(chǎn)生有毒有害氣體或物質(zhì)，且成本較高，水泥砂漿在充填作業(yè)時凝固時間較長，存在結(jié)石率低、析水量達(dá)等缺點(diǎn)[3-4]，而高水材料使用過程中不會產(chǎn)生有毒氣體和物質(zhì)，且其滲透性、流動性較好、無析水，凝固時間可以調(diào)節(jié)控制，價格低廉[5-6]。綜上，在對13031 工作面空巷進(jìn)行充填加固時，選用高水材料效果較好。

在選用高水材料對空巷進(jìn)行充填加固時，為保證充填體強(qiáng)度能夠達(dá)到4 MPa 以上，需提前確定高水材料漿液的水灰比。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水灰比配制時，采用三軸壓縮實(shí)驗(yàn)對高水材料漿液分別在凝固2、24、7 d 后的強(qiáng)度進(jìn)行測定，根據(jù)測定結(jié)果繪制出如圖5 所示曲線圖。

圖5 不同水灰比配比條件下充填體強(qiáng)度Fig.5 Strength of filling body under different water cement ratio

分析可知，漿液水灰比相同時，凝固時間越長，其形成的結(jié)石體強(qiáng)度就越高；在相同凝固時間內(nèi)，水灰比越大，其形成的結(jié)石體強(qiáng)度就越低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在確定選取合理水灰比時，從漿液凝固后形成的結(jié)石體強(qiáng)度和材料成本等方面綜合考慮，可選擇水灰比為4∶1 時，凝結(jié)時間為24 h后，結(jié)石體強(qiáng)度能夠達(dá)到4 MPa 以上要求的高水材料。

3.2 空巷充填施工方案設(shè)計(jì)

根據(jù)13031 工作面現(xiàn)場實(shí)際開采條件，設(shè)計(jì)采用注漿泵配注漿管路的方法將漿液運(yùn)送至13031 工作面空巷內(nèi)進(jìn)行充填作業(yè)。

參考已有的巷道空區(qū)充填工程技術(shù)實(shí)踐研究[7-8]，充填巷道空區(qū)的工藝方法主有充填袋式充填法、直接開放式充填法、混合式充填法和分段阻隔式充填法。結(jié)合13031 工作面空巷現(xiàn)場地質(zhì)條件和實(shí)際情況，考慮到13031 工作面空巷內(nèi)底板坡度不一致，巷道起伏不平，各段巷道內(nèi)充填的漿液量大小不一致等情況，決定采用分段阻隔式充填法對空巷進(jìn)行充填，即根據(jù)空巷內(nèi)各段巷道的不同情況，從里向外分段建立阻隔墻注入漿液進(jìn)行充填，該方法不僅操作簡單，而且不需要使用充填袋，成本較低，其充填工藝原理如圖6 所示。

圖6 分段阻隔式充填工藝Fig.6 Segmented barrier filling technology

為防止工作面過空巷時一次性揭露空巷導(dǎo)致暴露出頂板面積過大造成工作面液壓支架承載的載荷過大，影響工作面安全回采，在過空巷前提前對工作面進(jìn)行調(diào)斜，使工作面切巷成偽傾斜布置。工作面調(diào)斜角度大小由揭露的空巷寬度與其巷道長度的比值確定的。

式中：α為工作面調(diào)斜角度，（°）；d為揭露的空巷巷道寬度，取4 m；L為空巷的長度，取130 m。

根據(jù)式（1） 計(jì)算為1.8°，從而確定工作面合適的調(diào)斜角度為2°。工作面調(diào)斜布置情況如圖7 所示。

圖7 工作面過空巷調(diào)斜布置示意Fig.7 Indication of inclined adjustment arrangement of working face crossing empty roadway

4 應(yīng)用效果分析

13031 工作面空巷傾斜長為130 m，對工作面液壓支架工作阻力變化進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果顯示工作面過空巷期間，液壓支架的工作阻力均未超過其正?；夭蓵r的最大值，液壓支架的工作阻力與正常回采時的工作阻力變化無明顯差異，由此表明，空巷充填加固效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

在工作面過空巷回采期間，同時對工作面煤壁片幫情況進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，具體情況見表2。由表2 可以看出，工作面在過空巷回采期間，煤壁發(fā)生片幫的深度最大為0.41 m，片幫總長度最長為6.2 m，與正?；夭善陂g煤壁發(fā)生片幫情況相差不大，由此表明，空巷采取充填措施后，對工作面頂板起到良好的支撐作用，降低了揭露空巷后形成的大面積圍巖應(yīng)力對煤壁產(chǎn)生的破壞作用，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果要求。

表2 13031 工作面煤壁片幫觀測統(tǒng)計(jì)情況Table 2 Statistics of coal wall spalling observation in Face No.13031

5 結(jié) 語

為保證13031 綜采工作面過空巷回采期間的安全，根據(jù)工作面地質(zhì)條件和現(xiàn)場實(shí)際情況，利用FLSC3D 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究分析，結(jié)果表明，空巷若不提前采取充填加固措施，當(dāng)工作面與空巷之間的煤柱寬度剩余15 m 以下時，巷道圍巖塑性變形區(qū)域貫穿整個煤柱內(nèi)，當(dāng)煤柱寬度小于10 m，巷道頂?shù)装鍑鷰r變形量急劇增大。因此，工作面過空巷前必須對空巷采取充填加固措施，確保工作面安全通過空巷。通過對比分析，選取高水材料作為充填材料，水灰比為4∶1，充填體強(qiáng)度達(dá)到4 MPa時，不僅能夠達(dá)到空巷加固要求，而且投入成本較低。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，對空巷進(jìn)行充填加固后，工作面過空巷回采期間，液壓支架的工作阻力及煤墻片幫情況與正?；夭蓵r的情況無明顯差異，由此表明，充填方案達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，工作面安全順利通過空巷。