5300-1 綜放工作面底板加固技術(shù)研究

高 飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 右玉 037200）

1 概況

5300-1 工作面位于53 盤區(qū)中東部，南起53 盤區(qū)皮帶巷，北面距F35 斷層35 m，西鄰已采5300工作面，東部為實(shí)煤體。工作面標(biāo)高為1252～1304 m，煤層厚度9.05～12.73 m，平均11.5 m，煤層傾角0°～7°，平均2.5°，傾斜長(zhǎng)150 m，走向長(zhǎng)度1095 m，可采走向長(zhǎng)度840 m，可采儲(chǔ)量約189 萬(wàn)t。工作面推進(jìn)至頭349 m、尾333 m 時(shí)工作面受斷層影響，52#～57#支架范圍底板松軟，導(dǎo)致支架下沉傾斜，工作面狀態(tài)差，頂板支撐力小，造成局部煤壁片幫，甚至誘發(fā)漏冒頂。

2 底板加固方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

5300-1 工作面采取的治理軟泥底板方案主要包括直接治理、注漿加固和挖底替換三種，其方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 治理軟泥底板方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

對(duì)比以上三種治理軟泥底板方案，通過分析及結(jié)合工作面現(xiàn)場(chǎng)施工情況來看，挖底替換方案雖挖槽強(qiáng)度相對(duì)較大，但是加固料的凝固時(shí)間短，硬化明顯，同時(shí)不影響綜采工作面正常推進(jìn)，最終選取挖底替換方案。

3 挖底替換施工工藝

（1）每循環(huán)施工段巷道長(zhǎng)10 m、寬1 m，先將巷道底板開挖0.6 m 深，然后加入工字鋼，鋪上鋼筋網(wǎng)并用鉛絲捆扎牢固，之后充填加固材料。開挖施工采用風(fēng)鎬、洋鎬作業(yè)，注漿采用風(fēng)動(dòng)注漿泵進(jìn)行施工。

（2）現(xiàn)場(chǎng)施工條件準(zhǔn)備。在巷道布設(shè)風(fēng)管為風(fēng)鎬供風(fēng)，風(fēng)管采用DN25 高壓膠管，輸水管路采用一趟DN25 高壓膠管。

（3）技術(shù)參數(shù)。① 加固充填料采用濕式噴入方式，水灰比0.6～0.8，凝固4 h 后預(yù)計(jì)抗壓強(qiáng)度15～18 MPa。② 工字鋼規(guī)格不限（廢棄的鋼梁、回收舊錨桿都可代替），搭接不得少于200 mm，鋪設(shè)2 排，盡量平整；鋼筋網(wǎng)采用鋼筋Ф6 mm，網(wǎng)格規(guī)格100 mm×100 mm，覆蓋全部底板。工鋼及鋼筋網(wǎng)必須采用14#鉛絲捆扎牢固（如圖1）。③加固施工示意圖如圖1。

圖1 處理方案示意圖（mm）

4 施工設(shè)備及底板充填加固材料

4.1 充填加固材料性能需求

充填加固材料[1-5]主要是為了在工作面回采軟底區(qū)域時(shí)，能夠保證不大面積破碎，有效支撐支架，防止支架歪斜、傾倒，能夠支撐頂板，保證工作面正常回采。為了達(dá)到良好的應(yīng)用效果，通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等手段，確定了充填加固材料的性能要求。具體性能要求如下：

（1）凝結(jié)時(shí)間要求。在切槽充填施工過程中，為了保證良好的施工效果，初凝時(shí)間不能過早，經(jīng)綜合考慮為20 min，確保有足夠的輸送和施工時(shí)間。

（2）強(qiáng)度性能要求。為保證工作面高效推進(jìn)，必須確保材料有較高的早期強(qiáng)度，這與施工期間的緩凝是矛盾的，也是材料配比的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。綜合考慮工程特點(diǎn)，要確定材料能在2 h 時(shí)內(nèi)達(dá)到8.4 MPa 以上，即完成切槽、鋪底后材料強(qiáng)度需快速增長(zhǎng)，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到足夠的支撐效果。

4.2 主料的選擇與配比

充填加固主料為硫鋁酸鹽水泥熟料、石膏、生石灰。為了便于施工，保證漿液具有較好流動(dòng)性的同時(shí)又具有速凝效果，將充填支柱材料設(shè)計(jì)為雙液施工。外加劑確定：減水劑、增稠劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑。注漿材料主料中，石膏和石灰的比例對(duì)材料的性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此，試驗(yàn)首先對(duì)不同比例的石灰、石膏進(jìn)行性能分析。固定減水劑、增稠劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑的摻量，變化石膏、熟石灰的比例以及水灰比，測(cè)試石膏、熟石灰的質(zhì)量比例不同，水灰比為0.6、0.8、1.0 時(shí)，漿體硬化4 h 的抗壓強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果見表2 和圖2。

表2 不同石膏/熟石灰比時(shí)4 h 的抗壓強(qiáng)度（單位：MPa）

圖2 石膏/熟石灰對(duì)4 h 抗壓強(qiáng)度的影響

從表2 和圖2 可以看出，水灰比一定時(shí)，石膏/熟石灰低于7 時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨石膏/熟石灰的增大而逐漸增大。抗壓強(qiáng)度在石膏/熟石灰為7 時(shí)達(dá)到峰值，之后又開始降低，每種水灰比的抗壓強(qiáng)度均在石膏/熟石灰為7 時(shí)達(dá)到最大值，因此，將石膏/熟石灰確定為7:1。

主料確定后，經(jīng)過大量的配比試驗(yàn)和優(yōu)化，最終確定復(fù)合添加劑的配比，見表3。

表3 充填支柱材料最終配比

4.3 水灰比對(duì)充填支柱的影響

分別采用0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0 的水灰比測(cè)試漿液流動(dòng)度、漿液粘稠度，見表4、表5 和圖3。

圖3 水灰比測(cè)試漿液流動(dòng)圖

表4 不同水灰比漿液對(duì)流動(dòng)性的影響

表5 充填支柱材料抗壓強(qiáng)度對(duì)比 （單位：MPa）

從表4、表5 和圖3 可以看出，隨著水灰比的增大，流動(dòng)度近似呈線性增大，表明隨著水灰比在0.6 到0.8 時(shí)流出時(shí)間迅速降低，水灰比再增大時(shí)流出時(shí)間降低較慢。即水灰比越大，則流動(dòng)度就越大，可注性就越好，但是水灰比越大，離析、泌水的可能性就越大，而且在其他摻量不變時(shí)，水灰比越大強(qiáng)度越低。因此，將水灰比確定為1.0～1.2。

5 應(yīng)用效果

目前，5300-1 工作面已順利通過軟泥區(qū)域。通過實(shí)際的應(yīng)用效果可以發(fā)現(xiàn)，注完加固料2 h 后，支架可以在上方行走，支架不發(fā)生下沉，同時(shí)能夠調(diào)整工作面錯(cuò)茬，有效縮短通過該區(qū)域時(shí)間，在施工過程中沒有發(fā)生事故，設(shè)備損壞率為5%，有效降低了設(shè)備的維修成本，實(shí)現(xiàn)了工作面安全、快速通過地質(zhì)影響區(qū)，取得了顯著的成果。

6 結(jié)語(yǔ)

為了治理綜采工作面底板軟巖，防止支架下沉，保證綜放工作面正常推進(jìn)，以增子坊煤礦5300-1 工作面為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行挖底替換、采用加固料進(jìn)行泥化底板處理的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過實(shí)踐證明，該工藝能夠減小軟泥的影響，實(shí)現(xiàn)工作面快速推進(jìn)。