煤礦放水巷高水充填方法研究

馬漢文

(潞安職業技術學院，山西 長治 046200)

對于地下煤礦開采而言，廢棄空巷的存在往往對工作面推進構成嚴重影響，易發生冒頂及壓架情況[1-2]，為此對廢棄空巷進行及時處理是非常必要的。以往的處理方法，包括在空巷內架設木支架及單體支柱等，均達不到良好的支護效果[3-4]。近年來，學者們對高水充填技術進行了廣泛的研究：楊勇指出水力泵送充填工藝與自行移動式充填支架相結合，可有效保障高水充填材料所具有的速凝早強、支護強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弊端，具有施工效果好、效率高、成本低等優點[6]；卞卡等提出了高水充填材料全斷面充填技術及墩柱加強支護技術，為綜采工作面過空巷提供了一種安全高效的解決途徑[7]。對于工作面內廢棄空巷的處理，高水充填技術逐漸成為了主流的發展方向[8-9]。本文以某礦3505工作面為研究對象，對工作面內存在的放水巷進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號煤層3505工作面，工作面長度為2 017 m，煤層平均厚度約5 m，最大傾角10°左右。該工作面在回風巷與主運巷間有1個放水巷，長度約220 m，對工作面的正常推進構成不利影響，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后，進行了密閉處理，隨著時間的推移，廢棄巷道內將逐漸積聚瓦斯、硫化氫等有毒有害氣體，同時圍巖強度降低易引發空巷頂板垮落，影響周圍圍巖應力。放水巷如不及時治理，當工作面推進時，易引發安全事故，造成人員傷害和財產損失。對廢棄空巷進行充填，可加固圍巖頂板和巷道，同時逐步擠壓有毒有害氣體的空間，對保證礦井安全生產具有重要意義。

2 高水充填材料特性分析

為保障3505放水巷充填效果，需對所使用的高水材料進行研究。高水材料是指水體積份額可達93%～96%(水灰比約6.5∶1～11∶1)的水硬性材料?？箟簭姸茸兓闆r見圖2，高水充填材料固結體早強特征明顯，隨著水體積的增加，材料的抗壓強度不斷減小，兩者呈負相關變化趨勢，早期強度在5 h、20 h及8 d分別達到最終強度的18%、42%和93%，8 d后強度穩定。體積應變變化情況見圖3，體積應變整體變化較小，說明受壓性良好，適合用于空巷充填作業。

圖2 抗壓強度變化情況

圖3 體積應變變化情況

3 3505放水巷高水充填方法

3.1 充填設備選擇

根據3505放水巷巷道具體地質條件和充填注漿施工工藝的技術要求，本方案設計采取現場近距離制漿、短距離管道輸送、大流量小壓力注漿施工。注漿設備選用ZBYSB320/8-22型煤礦用雙液變量注漿泵，性能指標見表1。

表1 雙液充填泵性能指標

3.2 充填參數的確定

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

3.3 充填作業施工方法

高水材料空巷充填包括充填泵站與充填點兩部分。注漿充填設備布置方式見圖4，其中制漿站需要建立在通風良好、運輸環節簡單的地區。

圖4 注漿充填設備布置方式

充填區域分6段進行。一段巷道高5 m；二至六段巷道高3.5 m。在3505回風巷煤壁打孔，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

注漿前先沿回風巷走向每隔10 m在回風巷工作面側肩角位置采用CMM2-20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，共分兩次循環注漿：第一次注漿孔每隔10 m布置1個，注漿結束后，在之前的注漿孔中間再補1個注漿孔，保證總注漿孔間距達到5 m。

4 方案實施效果分析

放水巷充填完成后，分析了工作面支架阻力，見圖7?？梢钥闯觯Ъ芄ぷ髯枇φw呈現駝峰形變化特征。在距離空巷30～100 m時，支架阻力呈現小范圍波動，最大阻力為7 324 kN；距空巷0～30 m時，支架工作阻力快速升高，在到達空巷時達到峰值，為11 514 kN；過空巷后，在-30～0 m范圍內，阻力迅速降低至6 195 kN；過空巷-100～-30 m范圍內，支架阻力平穩波動。結果表明空巷前后主要應力影響范圍為30 m。

圖7 過空巷期間支架工作阻力變化情況

通過現場觀察，過空巷前后，工作面沒有產生明顯的片幫情況；對支架相關數據進行檢測發現，僅少數支架發生了50～150 mm的下沉情況，安全閥已啟動，工作面穩定，狀態良好。說明對放水巷進行高水充填取得了較好的效果，保障了作業面工作安全。

5 結 語

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

2) 針對某礦3505放水巷實際條件，給出了合理的充填設備、充填參數的確定方法以及充填作業的施工方法，有效保障了固結體的抗壓強度和整體抗變形能力。

3) 通過現場實踐，放水巷充填完成后，3505工作面過空巷前后，支架阻力呈現為駝峰形變化特征，影響范圍僅為30 m，并且工作面穩定性良好，該充填方法保障了工作面作業安全。