綜采工作面過(guò)空巷注漿充填技術(shù)的應(yīng)用研究

關(guān) 羽

（山西焦煤西山煤電鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053）

引言

綜采工作面過(guò)空巷期間空巷內(nèi)存在的冒頂、透水、壓死支架等安全隱患嚴(yán)重影響著煤炭的高效安全開(kāi)采。礦井在采掘過(guò)程中常常會(huì)遇到開(kāi)采設(shè)計(jì)變更或者其他原因遺留的空巷，空巷在長(zhǎng)時(shí)間缺乏維護(hù)、多次采動(dòng)壓力擾動(dòng)等綜合作用下容易出現(xiàn)變形破壞，同時(shí)也是高濃度瓦斯、水等集聚場(chǎng)所。綜采工作面回采推進(jìn)過(guò)空巷面臨煤壁片幫、頂板冒落等問(wèn)題，給采面回采安全帶來(lái)較大威脅。本文以西山煤電鎮(zhèn)城底礦22213 工作面過(guò)空巷為工程實(shí)例，提出采用注漿充填技術(shù)對(duì)空巷圍巖進(jìn)行支護(hù)，為采面安全過(guò)空巷創(chuàng)造了良好條件。

1 礦井概況

鎮(zhèn)城底礦位于西山煤田西北處，井田面積約16.63 km2，礦井東西走向6.6 km，南北走向3.6 km，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為190 萬(wàn)t。22213 工作面現(xiàn)主要開(kāi)采太原組2#、3#煤層，采用的是綜采放頂煤采煤工藝。3#煤層為原始瓦斯含量較高，煤層具有自燃發(fā)火傾向性、煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。22213 綜采工作面開(kāi)采3#煤層，煤層厚度均值3.5 m、傾角7°，采面走向推進(jìn)長(zhǎng)度為705.8 m、傾向長(zhǎng)度90.9 m。根據(jù)礦井生產(chǎn)規(guī)劃以及回采巷道揭露情況顯示，22213 綜采工作面推進(jìn)至408 m 位置時(shí)會(huì)揭露22212 系統(tǒng)巷、廢棄的406皮帶巷，具體位置關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 采面與空巷位置關(guān)系

采面揭露的2 條空巷高度均為3.0 m、寬度介于4 m～6 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式。由于空巷廢棄時(shí)間較長(zhǎng)，加之長(zhǎng)時(shí)間缺乏維護(hù)，導(dǎo)致原有支護(hù)體系銹蝕嚴(yán)重，空巷圍巖變形較大。22213 綜采工作面若強(qiáng)行推進(jìn)過(guò)空巷則面臨煤壁片幫、冒頂?shù)蕊L(fēng)險(xiǎn)。為確保采面回采過(guò)空巷安全，提出使用粉煤灰漿液對(duì)空巷進(jìn)行充填。

2 注漿充填材料

2.1 注漿水灰比

注漿材料選擇使用粉煤灰水泥，具體材料包括有粉煤灰、水泥、水等，將上述材料按照一定配比組成漿液，在注漿壓力作用下漿液從鉆孔或者管路中注入到充填點(diǎn)。具體工作原理為：在注漿管路出口位置通過(guò)三通將一定量外加劑注入到注漿漿液中，在外加劑作用下漿液水穩(wěn)性、強(qiáng)度會(huì)有所增加，同時(shí)可在特定時(shí)間膠結(jié)并提高膠結(jié)后巖體完整性[1]。在空巷充填注漿過(guò)程中漿液水灰比過(guò)大過(guò)小會(huì)導(dǎo)致管路堵塞、水灰比過(guò)大則容易導(dǎo)致巖石膠結(jié)率低、承載能力以及強(qiáng)度差等問(wèn)題，因此合理確定水灰比對(duì)提高空巷圍巖控制效果具有重要意義。根據(jù)以往注漿充填經(jīng)驗(yàn)，確定空巷充填漿液水灰質(zhì)量比為2∶1。

2.2 注漿漿液中粉煤灰添加量確定

在注漿漿液中合理的添加粉煤灰可在保證注漿充填效果基礎(chǔ)上，降低水泥使用量以及注漿充填成本。為此，文中從充填體強(qiáng)度以注漿漿液結(jié)石率兩方面出發(fā)確定合理粉煤灰使用量。

2.2.1 注漿漿液結(jié)石率

在注漿漿液充填膠結(jié)過(guò)程中，結(jié)石率越高、析水率越低、穩(wěn)定性越強(qiáng)，越有助于提高空巷充填效果。在注漿漿液中添加一定量的粉煤灰可降低漿液膠結(jié)過(guò)程中析水率，具體析水率與粉煤灰添加量間關(guān)系曲線，如下頁(yè)圖2 所示。

從圖2 看出，當(dāng)注漿漿液中粉煤灰添加量超過(guò)50%時(shí)，漿液膠結(jié)過(guò)程中析水率降低至2%以內(nèi)，即注漿漿液有效結(jié)石率提升至98%左右。依據(jù)注漿漿液結(jié)石率、析水率變化情況，推薦注漿充填漿液中粉煤灰添加量應(yīng)超過(guò)50%。

圖2 析水率與粉煤灰添加量間關(guān)系曲線

2.2.2 充填體強(qiáng)度

注漿漿液水灰質(zhì)量比為2∶1、膠凝固化劑添加一定量為0.2%，不同粉煤灰添加量下膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，如表1 所示。

表1 不同粉煤灰添加量下膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度

根據(jù)采面揭露的空巷埋深、空巷原有支護(hù)體系以及圍巖巖性情況分析，注漿后充填體強(qiáng)度達(dá)到2 MPa以上時(shí)即可滿足空巷圍巖控制需要[2]。從表1 看出，粉煤灰充填量在75%以下時(shí)均可滿足充填體強(qiáng)度大于2 MPa 需要，但是漿液中粉煤灰添加量為75%時(shí)漿液成塊效果不佳，表明漿液粉煤灰添加量過(guò)大；充填漿液中粉煤灰添加量介于33%～67%時(shí)，漿液膠結(jié)后的成塊效果均可滿足要求，在分析經(jīng)濟(jì)性、充填效果、抗壓強(qiáng)度以及結(jié)塊效果，推薦注漿充填漿液中粉煤灰添加量為67%。

通過(guò)分析注漿充填漿液結(jié)石率、充填體強(qiáng)度等，最終確定注漿充填漿液中合適的粉煤灰添加量為67%，同時(shí)對(duì)注漿充填漿液膠結(jié)后充填體強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，強(qiáng)度大于6 MPa、膠結(jié)過(guò)程中析水率控制在2%以內(nèi)，可滿足空巷注漿充填需要。

3 空巷注漿充填方案

空巷注漿充填時(shí)，漿液水灰質(zhì)量比確定為2∶1、粉煤灰 添加量確定為67%，在此條件下漿液初凝、終凝時(shí)間分別為10 min、24 h?，F(xiàn)場(chǎng)注漿充填時(shí)，應(yīng)充分考慮空巷底板條件、注漿充填系統(tǒng)流量、充填壓力、水力坡度等，具體采用分段充填方式，每個(gè)充填段長(zhǎng)度確定為20 m～50 m。充填段間使用簡(jiǎn)易墻進(jìn)行分割，簡(jiǎn)易墻結(jié)構(gòu)由風(fēng)障、板墻構(gòu)成，利用釘將廢舊風(fēng)筒布固定到板墻之上并在縫隙位置涂抹黃泥充填，避免漏漿情況出現(xiàn)、提升充填效果[3]。

空巷充填流程，如圖3 所示。主要工序包括有漿液制備、注漿充填、注漿設(shè)備清洗等，注漿工作由井上、井下兩部分組成，井下主要用以注漿充填漿液制備、井下主要用以空巷充填。注漿過(guò)程中使用的設(shè)備有螺旋輸送機(jī)、儲(chǔ)灰罐、緩沖池、膠體制備機(jī)、阻化泵等構(gòu)成。具體注漿步驟為：

圖3 空巷充填流程

1）在空巷注漿充填過(guò)程中應(yīng)首先做好空巷通風(fēng)、瓦斯?jié)舛葯z測(cè)等準(zhǔn)備工作，確保施工地面安全后方可進(jìn)行注漿充填；

2）在地面儲(chǔ)灰罐中將水泥、粉煤灰存儲(chǔ)滿，確保注漿充填過(guò)程中粉煤灰、水泥等使用量滿足要求[4]；

3）開(kāi)啟供水閥門(mén)并按照預(yù)先設(shè)定的水灰比、流量等調(diào)整水供應(yīng)量，并對(duì)膠體制備機(jī)進(jìn)行提前沖洗；

4）打開(kāi)儲(chǔ)灰罐后，粉煤灰、水泥等按照一定配比通過(guò)螺旋輸送機(jī)機(jī)運(yùn)輸至膠體制備機(jī)上，膠體制備機(jī)將水、水泥、粉煤灰等按照配比混合均勻并運(yùn)輸至緩沖池內(nèi)；

5）緩沖池內(nèi)充填漿液通過(guò)渣漿泵泵送至注漿充填點(diǎn)，在充填點(diǎn)使用阻化泵在注漿管網(wǎng)內(nèi)加入一定量膠結(jié)固化劑，提高充填漿液膠結(jié)效果、結(jié)石率以及承載強(qiáng)度[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

1）為確保22213 綜采工作面過(guò)空巷安全，提出使用粉煤灰漿液對(duì)空巷進(jìn)行注漿充填，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空巷圍巖支撐。依據(jù)注漿充填漿液結(jié)石率、充填體強(qiáng)度等，確定充填漿液水灰質(zhì)量比為2∶1，漿液中粉煤灰添加量為67%；

2）依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿充填條件，對(duì)采用分段方法進(jìn)行注漿充填?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，空巷強(qiáng)度以及承載能力得以顯著提升，采面過(guò)空巷期間未出現(xiàn)頂板冒落、煤壁片幫安全風(fēng)險(xiǎn)。