高水材料充填在綜采工作面過空巷中的應用研究

楊文忠

(霍州煤電集團 河津薛虎溝煤業有限責任公司，山西 霍州 031400)

當煤炭開采區域存在設計變更或者有小煤窯開采史時，在煤炭開采范圍內容易遺留廢棄空巷或者開采破壞區。由于廢棄空巷年久失修、圍巖原有支護體系失效，且在采動壓力作用下容易出現頂板垮落或者巷幫大變形等問題，制約煤炭安全高效回采[1-2]。如何實現空巷圍巖有效控制是采煤工作面安全過空巷的關鍵之一[3-5]。現階段礦井常用的過空巷技術包括打設木點柱、施工錨桿(索)補強、圍巖支護、單體支柱支護等，均不同程度存在費時、安全風險高以及效率低下等問題[6-8]。依據空巷在采面內分布空間關系，提出針對性過空巷技術，對提高采面過空巷效率以及安全保障能力等均有促進意義[9-10]。為此，文中依據3307綜采工作面現場情況，提出用高水材料充填方式加固空巷。

1 工程概況

山西某礦為資源整合礦井，3307綜采工作面(設計切眼長度225 m、推進長度1 589 m)回采3號煤層，煤層埋深295 m、傾角5～12°，頂底板為泥巖、粉砂巖以及砂質泥巖等。3號煤具有自然發火傾向性，發火周期介于59～126 d.3307綜采工作面開采范圍為小煤窯破壞區，存在空巷，具體空巷在采面內分布位置見圖1.

圖1 采面內空巷位置示意

采面空巷(凈寬4.5 m、凈高4.0 m)走向與采面推進方向平行，空巷斷面為矩形，長約120 m，沿著3號煤層頂板掘進。已有技術資料顯示，該空巷廢棄超過8 a以上，采用錨網索支護，其中錨桿、錨索規格分別為D22 mm×2 200 mm、D18.6 mm×2 200 mm，錨桿間排距均為1 200 mm、錨索間排距均為2 400 mm.在空巷影響區內生產時面臨圍巖失穩、漏風以及礦壓顯現異常等問題。需要針對性制定技術措施，實現采面安全高效回采。

2 高水充填技術應用

2.1 充填材料水灰比

在選擇空巷充填材料時，應綜合分析充填材料使用量、充填成本以及充填效果等方面。現階段煤礦井下常用的充填材料類型包括水泥漿液材料、化學材料以及高水材料等，其中高水充填材料具有價格低廉、流動性好、凝結時間可控以及無析水等優勢。因此，根據現場情況選用高水充填材料充填3307綜采工作面內空巷。高水充填材料水灰比會直接影響空巷支護強度，采用的高水充填材料不僅應滿足空巷圍巖控制需要，而且不會影響采煤機截割(即采煤機可直接截割高水充填材料)。為維護空巷圍巖穩定，采用的高水材料強度應能達到4 MPa以上。高水充填材料不同水灰比時強度變化情況見圖2.從圖2中看出，在凝結時間一定的情況下，高水充填材料強度隨水灰比增加而降低。水灰比不變時，隨凝結時間增加，高水充填材料強度也不斷增大。

圖2 高水充填材料不同水灰比時強度變化曲線圖

從注漿材料凝結后強度出發合理選擇高水材料水灰比，凝結2 h時高水充填材料強度超過4 MPa即可滿足要求。從圖2看出，當水灰比小于4時，高水充填材料凝結2 h強度可達到5 MPa，明顯可滿足要求；同時水灰比越小，則材料消耗量越高，經濟性越差。為此，高水材料充填時最佳水灰比為4∶1.

2.2 充填方案

充填材料運送至充填點方式有2種：①采用人工或者機械設備將充填材料運輸至充填點；②采用泵送方式將充填材料輸送至充填點。泵送方式具有充填效率高、安全性好、自動化程度高等優點，因此選用泵送方式對高水材料進行運輸。

常見的充填技術方法包括全袋式充填法、開放式充填法、分段阻隔充填法以及混合式充填法等。依據3307綜采工作面現場情況以及空巷分布位置、長度等，考慮到空巷存在起伏、注漿材料頂液高度出現變化，采用開放式充填法顯然不能滿足要求。若采用全袋式充填法則需要使用充填袋，充填過程較為繁瑣，因此選擇施工工藝相對簡單、成本較低以及可滿足采面空巷充填需要的分段阻隔泵送充填法。泵送充填示意見圖3.在空巷內間隔5～10 m布置1道阻隔，阻隔內側靠近充填側布置膜袋，避免注入漿液外溢。

圖3 分段阻隔泵送充填布置示意

3 空巷充填效果分析

3307綜采工作面長度為120 m，主要影響位于采面55～63號支架間，在采面過空巷期間，對55～63號支架工作阻力進行監測，發現在過空巷期間支架工作阻力與正常情況下無明顯差異。高水充填材料與空巷頂板接觸密實，可有效控制空巷圍巖變形。液壓支架與頂板接觸良好，未出現明顯下沉。采煤機可直接截割空巷充填體，通過采用高水充填材料對充填加固可提高采面生產速度。

統計過空巷前后55～63號支架位置煤壁片幫情況，見表1.從表1中看出，采面在過空巷期間，煤壁片幫發生率以及片幫范圍等均未有明顯變化，表明空巷內充填的高水材料支撐效果較好。

表1 采面55～63號支架位置煤壁片幫統計結果

4 結 語

1) 3307綜采工作面回采范圍內存在空巷，同時開采的3號煤層具有自然發火傾向，采用以往的加固方式存在空巷漏風、防滅火壓力大以及頂板管理困難等問題。為此，提出采用高水材料充填方式對空巷進行加固，不僅可解決空巷漏風、防滅火難題，而且采面過空巷時采煤機可直接截割充填加固區，有助于提升采面生產效率。

2) 高水充填材料水灰比會直接影響充填經濟性，根據高水充填材料不同水灰比時強度變化曲線并結合空巷充填加固需要，最終確定空巷高水充填材料水灰比為4∶1.由于空巷頂板及底板有一定起伏，為降低空巷高水充填工作量，提出采用分段阻隔泵送充填方式，采用膜袋及磚塊將空巷按照5～10 m間隔劃分為若干充填段。現場應用后，采面在空巷影響范圍內回采時保持正常推進速度，同時空巷圍巖、影響范圍內煤體等始終保持穩定，為采面安全高效過空巷創造了良好條件。