高水充填材料在回采工作面過空巷中的應(yīng)用

李朝瓏

（山西新村煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

在礦井開采過程中，受采掘巷道布置、開采需要或周邊小煤窯無序開采等因素影響，造成一些空巷，在工作面回采期間經(jīng)常揭露穿過這些空巷。若不提前對空巷采取一些加固措施，則工作面在過空巷回采期間經(jīng)常會出現(xiàn)煤壁片幫、 頂板冒落等事故，嚴(yán)重制約工作面安全高效生產(chǎn)。 加固空巷方法一般采用人工支設(shè)木垛、 打設(shè)坑木或單體液壓支柱點(diǎn)柱等方法[1-2]。雖然這些加固方法簡單，但其支護(hù)強(qiáng)度往往達(dá)不到要求，在工作面過空巷過程中經(jīng)常發(fā)生木垛倒塌、點(diǎn)柱壓斷等問題，給工作面回采造成較大影響。 近年來，隨著充填工藝、技術(shù)的不斷發(fā)展和充填材料的不斷改進(jìn)，充填體強(qiáng)度已達(dá)到滿足支護(hù)空巷頂板，保證工作面安全快速通過空巷的要求，從而被許多礦井推廣應(yīng)用。 基于此，本文以晉能控股常村煤礦22121 工作面為工程背景，擬采用高水材料充填加固過空巷技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)工作面安全快速通過空巷。

1 工程概況

常村煤礦22121 工作面位于22 采區(qū)西翼，工作面北部為設(shè)計(jì)22101 工作面，南部為設(shè)計(jì)22141工作面，東部為22 下山保護(hù)煤柱，西部為22121工作面西段采空區(qū)。 工作面設(shè)計(jì)走向長825 m，傾斜長180 m，主采5 號煤層，煤層平均厚度5.8 m，平均傾角12°。工作面煤層頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 工作面煤層頂?shù)装迩闆r

在22121 工作面中上部布置有一條約280 m長的放水巷，該巷道與工作面平交（如圖1 所示），目前該巷道已廢棄。 因22121 工作面回采過程中需通過該空巷，對工作面正?；夭稍斐奢^大影響。為減少過空巷對工作面回采的影響，保證工作面安全高效回采，對該空巷采用高水材料進(jìn)行充填加固。

圖1 22121 工作面平面布置

2 充填材料性能

高水充填材料是一種水硬性材料，其水灰比一般為6.5：1～11:1。它主要由特種水泥復(fù)合礦化劑、 石灰與石膏以及復(fù)合緩凝劑與復(fù)合強(qiáng)化劑等組成，固化后形成鈣礬石，具有早強(qiáng)、速凝、快硬、流動性高等特性[3-4]。超高水材料主要分為A、B 兩種組份，當(dāng)A、B 兩種組份混合后，水含量在91%～97%時，凝結(jié)7d 后材料抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到0.35～3.2 MPa，凝結(jié)15d 后其抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到0.65～3.83 MPa，具體情況如圖2 所示。 A、B 兩種組份材料單獨(dú)加水?dāng)嚢韬?，?0 h 以內(nèi)不會凝固，在24 h 內(nèi)其粘稠度基本無變化，因該材料含水性非常高，且混合后槳體粘稠度低，其流動性和可注性極強(qiáng)，能夠滿足在管路中進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送的要求。

圖2 充填體在含水量不同條件下抗壓強(qiáng)度隨時間變化曲線

3 充填技術(shù)方案

3.1 充填工藝

對空巷采用高水充填材料進(jìn)行充填加固工藝，是利用專用充填泵站中的自動攪拌器內(nèi)添加超高水材料和水，按照確定的水灰比配制成A、B兩種以水為主要成分的具有高流動性的漿體，然后利用充填泵站分別通過兩條高壓膠管將A、B 兩種漿液輸送充填區(qū)域，在即將進(jìn)入充填區(qū)之前將兩種漿液進(jìn)行混合，使流入充填區(qū)的混合漿體在可控時間內(nèi)膠結(jié)、凝聚，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)充填空巷，控制空巷圍巖變形，避免頂板下沉[5-6]。 受巷道地形影響，空巷存在頂?shù)装迤鸱黄浆F(xiàn)象，為防止充填材料不能對巷道全斷面進(jìn)行充填加固，采取分段充填作業(yè)，在充填作業(yè)前，需提前在空巷內(nèi)構(gòu)建止?jié){墻。 充填工藝流程如圖3 所示。

圖3 空巷充填施工工藝流程

3.2 充填漿液配比

在進(jìn)行充填漿液配比選擇時既要保證固結(jié)體抗壓強(qiáng)度滿足支護(hù)加固安全的要求，同時也要考慮經(jīng)濟(jì)效益。 因此，在進(jìn)行22121 工作面流水巷充填作業(yè)時，高水材料A、B兩組份的比例按照1:1 進(jìn)行配比，高水材料的水灰比確定為7:1，漿液初凝時間在4～6 min，固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度平均達(dá)到1.6 MPa 以上。 采用上述條件配比出的漿液粘稠度較低，具有較好的流動性和滲透性，在無墻體阻擋的情況下可輕易流動到空巷充填區(qū)域，將空巷全部充填滿，以達(dá)到巷道的全斷面充填加固的目的。

3.3 充填施工方案

在22121 工作面進(jìn)行充填加固作業(yè)時，采用近距離制漿和管路輸送、 低壓大流量注漿的方式進(jìn)行注漿施工。 注漿作業(yè)前先自22121 上順槽與流水巷交叉口位置開始，垂直煤壁側(cè)向流水巷內(nèi)施工注漿鉆孔，開孔位置距巷道頂板0.8 m，鉆孔間距為10 m。 鉆孔施工完畢后利用鉆孔進(jìn)行充填作業(yè)，鉆孔終孔注漿壓力控制在5～10 MPa，漿液橫向擴(kuò)散半徑達(dá)到6～10 m，最終漿液充填高度在3～5 m。 為檢驗(yàn)充填效果，在完成注漿后沿煤壁側(cè)向流水巷內(nèi)施工探查孔進(jìn)行檢驗(yàn)，對存在空隙的區(qū)域重新進(jìn)行注漿，確保注漿區(qū)域固結(jié)體形成一個整體。

因受22121 工作面流水巷內(nèi)巷道頂?shù)装迤鸱绊懀锏罃嗝娌唤y(tǒng)一，因此在進(jìn)行充填作業(yè)時對巷道構(gòu)筑止?jié){墻進(jìn)行分段注漿充填。 根據(jù)流水巷斷面不同將巷道共劃分為6 個充填區(qū)域，分別在每兩個區(qū)域的交界處構(gòu)筑止?jié){墻，墻體厚度1.5 m，高度覆蓋巷道全斷面，如圖4 所示。為防止止?jié){墻墻體垮落，必須在止?jié){墻構(gòu)筑時間達(dá)到24 h后方可對流水巷進(jìn)行充填作業(yè)。 根據(jù)現(xiàn)場測量，巷道內(nèi)6 個充填區(qū)域的注漿量如表2 所示。

表2 流水巷內(nèi)各段充填區(qū)域注漿量情況統(tǒng)計(jì)

圖4 流水巷分段注漿充填作業(yè)

4 應(yīng)用效果

為檢驗(yàn)高水充填材料充填加固效果，在22121工作面過空巷回采期間對工作面液壓支架壓力變化情況進(jìn)行了觀測分析。 將工作面在距流水巷不同距離位置時空巷影響范圍內(nèi)的液壓支架工作阻力變化觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理后，繪制出變化曲線如圖5 所示。

圖5 工作面過空巷回采期間支架壓力變化曲線

對圖5 分析可知，當(dāng)工作面回采至距流水巷25 m 時工作面液壓支架工作阻力開始出現(xiàn)大幅度增大；當(dāng)工作面回采至流水巷位置時，工作面液壓支架壓力為11 543 kN，達(dá)到最大值。 當(dāng)工作面通過流水巷以后，支架壓力逐漸減??；當(dāng)工作面通過空巷距離達(dá)到20 m 后，支架工作阻力減小到6 186 kN；隨后繼續(xù)向前推進(jìn)過程中，支架工作阻力變化達(dá)到正常波動范圍，表明工作面已不受空巷影響。

在22121 工作面過空巷回采過程中，工作面未出現(xiàn)大面積煤壁片幫和冒頂現(xiàn)象，在空巷影響區(qū)域的前后10 m 范圍內(nèi)的煤壁局部出現(xiàn)少量片幫，片幫深度在250～450 mm，其他區(qū)域均未出現(xiàn)明顯片幫；工作面頂板未發(fā)生明顯下沉現(xiàn)象。 通過對液壓支架立柱行程變化情況進(jìn)行觀測，僅有在空巷影響區(qū)域內(nèi)的個別支架立柱行程降低150～250 mm，個別支架安全閥出現(xiàn)了開啟，未對工作面回采造成較大影響，工作面安全快速通過了空巷。由此表明，22121 工作面過空巷回采時，采用高水充填材料對空巷進(jìn)行超前加固效果良好，達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)語

為保證常村煤礦22121 工作面過空巷回采期間安全，結(jié)合工作面地質(zhì)資料及現(xiàn)場實(shí)際情況，擬定工作面采用高水充填材料超前加固空巷技術(shù)方案；針對高水材料性能，確定了充填材料的配比方案，并制定了充填施工工藝流程和具體充填施工方案。 現(xiàn)場應(yīng)用表明，在22121 工作面流水巷內(nèi)超前進(jìn)行充填加固后，工作面回采期間煤壁未出現(xiàn)大面積片幫，頂板未出現(xiàn)大幅度下沉現(xiàn)象，工作面安全順利通過空巷，效果良好，達(dá)到了預(yù)期目的；該技術(shù)方案的成功應(yīng)用可為類似條件下工作面空巷回采提供技術(shù)參考。