荊寶煤業(yè)老空區(qū)充填探究

趙健春

(晉能控股煤業(yè)集團 荊寶煤業(yè)有限公司，山西 長治 046200)

1 項目背景

三元古韓荊寶煤業(yè)有限公司是山西煤炭運銷集團兼并重組整合的礦井，核定批復(fù)生產(chǎn)能力為120萬t/a，井田面積為10.605 3 km2，采礦許可證載明開采3～15號煤層，煤層埋藏標(biāo)高為：3號煤層+500.00～+940.00 m，15號煤層+380.00～+830.00 m?，F(xiàn)開采3號煤層。礦井采用傾斜長壁后退式綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板，掘進工作面為綜掘。

經(jīng)過多年開采，荊寶煤業(yè)的3號煤層已所剩無幾，而15號煤層為高硫煤，開采價值不高。在確保礦井效益的基礎(chǔ)上，為有效延長礦井服務(wù)年限，荊寶煤業(yè)對三采區(qū)的開采進行了調(diào)整部署。

荊寶煤業(yè)三采區(qū)機軌巷與回風(fēng)巷沿北西-南東向布置，兩巷掘進1 500 m左右后，拐彎向南繼續(xù)布置巷道至風(fēng)氧化帶保護煤柱為止。目前，機軌巷已掘進1 400 m，回風(fēng)巷已掘進1 030 m。由于三采區(qū)內(nèi)資源受小煤窯破壞較嚴(yán)重，機軌巷與回風(fēng)巷掘進過程中揭露多條舊巷和老空區(qū)，且舊巷和老空區(qū)內(nèi)存在積水，對三采區(qū)頂板、水害、有毒有害氣體的管理造成了相當(dāng)大的困難。鑒于此，荊寶煤業(yè)擬采用鋁基高固水材料對老空進行充填，以確保掘進巷道順利穿過老空。

2 鋁基高固水材料

鋁基高固水系材料是指水體積份額可達95%～97%(水灰比約6.5∶1～11∶1)的水硬性材料。該材料的主體物料由A料、B料組成。

鋁基高固水材料A料、B料，在兩個獨立的盛滿水的攪拌桶內(nèi)充分?jǐn)嚢韬螅ㄟ^兩趟獨立的管路在老空區(qū)附近混合后注入老空，凝固后形成的主要產(chǎn)物是鈣礬石。其性能主要取決于鈣礬石生成量的多少、鈣礬石的形成速率及穩(wěn)定性。

該材料屬于早強、快硬型的膠結(jié)材料，初凝與終凝時間很近。水固比越大，凝結(jié)時間越長，反之越短。其在水灰比3∶1的條件下，初凝時間為2 min，以控制漿液自由流動4～7 m范圍，材料7 d后強度增長緩慢,凝固強度為2～4 MPa。

3 鋁基高固水材料采空區(qū)充填方法

對不同形態(tài)的采空區(qū)進行充填時，要有與其相適應(yīng)的充填方法與充填工藝。鋁基高固水材料充入采空區(qū)有兩種途徑：一是開放式充填方法，即將鋁基高固水材料輸送至采空區(qū)后，讓其自然流淌與漫溢；二是通過鉆孔向采空區(qū)進行管道灌注。

3.1 開放式充填方法

開放式充填方法，是在能夠觀察到揭露的空巷且采空區(qū)未垮落的情況下對采空區(qū)不進行任何調(diào)控，即允許采空區(qū)上覆巖層部分垮落，空巷完全處于開放與自由狀態(tài)的充填方式。

在進行充填的過程中，采空區(qū)的鋁基高固水材料漿體將會逐漸固化。將固化過程分成四個階段：初凝階段、過渡階段、固化基本完成階段與固化完成階段，如圖1所示。

圖1 注漿充填體固化階段劃分示意

3.2 鉆孔式注漿充填法

鉆孔式注漿充填法是在未揭露已探測的空巷情況下，對采空區(qū)進行鉆孔注漿充填加固，使得老空內(nèi)垮落的矸石、煤塊(煤粉)與周圍煤體成為一個整體，防止片幫冒頂，提高施工效率。

在掘進到距離老空區(qū)5 m時停止掘進，從工作面迎頭位置向前施工注漿鉆孔，注漿鉆孔探透老空區(qū)后，鋪設(shè)相應(yīng)管道，對老空區(qū)進行注漿充填施工。隨后根據(jù)老空區(qū)的充填情況，及時調(diào)整注漿量，必要時補打鉆孔對老空區(qū)注漿充填，直至將掘進范圍內(nèi)老空區(qū)內(nèi)垮落的巖石和煤體膠結(jié)為一體，如圖2所示。

圖2 鉆孔式注漿充填法示意

4 采區(qū)老空充填實踐

2019年10月22日8點班和4點班，在三采區(qū)回風(fēng)巷四段開口處進行探放水鉆探作業(yè)，鉆探結(jié)果顯示前方40 m為老空(1號老空)。

2020年1月1日開始掘進，掘至距老空1 m時，從巷道窩頭傾斜向上施工1個斷面為1 m2的探巷打通老空，觀察老空內(nèi)頂板垮落高度、積水、積氣等情況，初步確定老空規(guī)格為15 m(橫向跨度)×10 m(縱向跨度)×5.6 m(高度)。

2020年1月5日，對小端面探巷采用磚塊進行封堵，并對工作面迎頭3 m范圍內(nèi)巷道頂板、兩幫及小孔處采用羅克休進行噴射，將破碎煤體縫隙封堵嚴(yán)實，防止后期漿液從縫隙中跑漏。

2020年1月14日4點班開始打設(shè)鉆孔，對老空區(qū)進行開放式注漿充填。

共布置3個注漿充填鉆孔。1號孔方位角為迎頭正前方布置，與巷道水平夾角0°、傾角22°,2號、3號孔分別與巷道水平夾角為10°、傾角為22°。

將注漿泵安裝在三采區(qū)機軌巷距三采區(qū)回風(fēng)巷掘進工作面最近的地點，將1趟2寸鋼管鋪設(shè)至掘進頭，并用軟管與注漿孔預(yù)埋管路連接，預(yù)埋的管路與注漿孔縫隙要封堵嚴(yán)實。充填過程中要隨時觀察漿液跑漏情況，防止?jié){液從頂板破碎縫隙或因封孔不嚴(yán)造成跑漏，同時觀察注漿泵壓力情況，確保充填強度達標(biāo)。

充填結(jié)束后3～5 d要打設(shè)驗證孔，對充填效果進行驗證，驗證凝結(jié)硬度和充填料接頂情況。大約5～7 d后，充填凝結(jié)效果達標(biāo)，方可掘進通過老空區(qū)。

1號老空區(qū)充填驗證達標(biāo)后，三采區(qū)回風(fēng)巷掘進穿過老空，期間偶爾遇到垮落凝固碎石，需緩慢截割，過空期間采用錨網(wǎng)索+工字鋼棚復(fù)合支護，最終順利通過老空。

圖3 三采區(qū)回風(fēng)巷老空充填施工現(xiàn)場

5 結(jié) 語

充填過老空方式成功解決了費時、費力且頂板管理、積水積氣管理難度大等問題。順利穿過1號老空區(qū)后，通過鉆探驗證，該老空縱向跨度為10 m，頂板垮落巖石約3 m，充填材料兩側(cè)流動距離約為10 m。

通過順利穿過1號老空區(qū)，為通過后續(xù)老空區(qū)積累了豐富經(jīng)驗。