五家溝礦高山北探巷外部房采區(qū)充填治理技術(shù)研究

穆玉林

(中煤科工山西華泰礦業(yè)管理有限公司,山西 朔州 036000)

1 工程概況

山西朔州山陰金海洋五家溝煤業(yè)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力每年3×106t,目前主采煤層為5-1號(hào)煤層,均為自燃煤層,平均煤層厚度8.5 m.高山北探巷范圍內(nèi)8號(hào)煤厚6.31～6.65 m,平均6.52 m,與上部5-1煤相距20 m左右。該煤層煤種為長(zhǎng)焰煤,該煤層屬石碳系上統(tǒng)太原組下部,黑色,半暗型,油脂光澤,平坦?fàn)顢嗫凇A矸為泥巖,灰黑色,塊狀,平坦?fàn)顢嗫凇＝?jīng)井下實(shí)地探測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)高山北探巷存在多處房采區(qū),如圖1所示。因上部5-1煤回采工作面位于該區(qū)域房采區(qū)上部,在5-1煤回采過(guò)程中該房采區(qū)必然對(duì)5-1煤回采工作面的正常回采和安全造成極大的影響,且對(duì)后期該區(qū)域8號(hào)煤的回采形成極大的隱患。因此,必須對(duì)該區(qū)域房采區(qū)采取有效充填加固,保證該區(qū)域5-1煤和8煤的回采與安全提供可靠技術(shù)保障。

圖1 高山北探巷外部房采區(qū)注漿加固位置示意

2 充填材料的選擇以及配比分析

充填漿液凝固后的強(qiáng)度對(duì)于采空區(qū)充填效果具有決定性的作用,充填體強(qiáng)度越大,對(duì)采空區(qū)圍巖的支承能力越強(qiáng),煤柱及工作面穩(wěn)定性越好,但充填強(qiáng)度過(guò)大時(shí),將影響采煤機(jī)割煤效率,提高生產(chǎn)成本,參照相關(guān)研究成果[1],充填體最合適的凝固強(qiáng)度為5～10 MPa.充填材料的選擇需考慮材料消耗量、費(fèi)用、充填效果等方面因素,目前使用較普遍的材料有化學(xué)漿液、水泥漿液、高水材料等[2-4],水泥漿液具有材料來(lái)源廣、價(jià)格低、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),但是存在凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)、結(jié)實(shí)率低、水泥材料消耗量較大等問(wèn)題,較多的用于破碎圍巖的加固,對(duì)于采空區(qū)、空巷充填工程中使用率較低;化學(xué)漿液具有滲透效果較好、凝固強(qiáng)度、時(shí)間可根據(jù)具體需要進(jìn)行調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn),但是大多數(shù)化學(xué)漿液會(huì)釋放一定量的有毒氣體,存在一定的安全隱患,且材料價(jià)格昂貴,不適合大體量充填區(qū)域的使用;高水材料具有結(jié)實(shí)率高、材料消耗量少、凝固時(shí)間調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn),漿液凝固后不會(huì)出現(xiàn)析水現(xiàn)象;3種類(lèi)型材料充填1 m3的成本分別為水泥750元、化學(xué)漿液2 300元、高水材料400元,結(jié)合五家溝礦房柱采空區(qū)充填工程需求,采用高水材料明顯具有成本低、效果較好等優(yōu)點(diǎn),因此選擇高水材料進(jìn)行充填加固。

充填材料的配比對(duì)于其強(qiáng)度具有重要影響,選擇合理的注漿漿液配制比例是取得較好充填效果的關(guān)鍵一步,因此設(shè)計(jì)不同水灰比高水材料配制方案及強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn),采用高山北探巷外部房采區(qū)排水管中的地下水,測(cè)試其井下水溫為17 ℃,配制水灰比為0.5～7的高水材料漿液,統(tǒng)計(jì)相同體積漿液條件下水、高水材料的消耗量,繪制其消耗量隨著水灰比變化曲線如圖2(a)所示,將不同水灰比的漿液導(dǎo)入模具制成試件,分別測(cè)試其凝固2 h、24 h、7 d后的單軸抗壓強(qiáng)度,根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制出試件在不同凝固時(shí)間隨水灰比變化曲線如圖2(b)所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知,隨著水灰比增大,單位體積所需高水膠結(jié)料的量逐漸減小,用水量逐漸增大,經(jīng)濟(jì)效果越好,水灰比大于4之后,膠結(jié)料的消耗量減小趨勢(shì)減弱;同時(shí)考慮凝固體強(qiáng)度,水灰比大于4之后,各凝固時(shí)間條件下,試件的強(qiáng)度均較低,凝固7 d后單軸抗壓強(qiáng)度仍小于7 MPa,固結(jié)強(qiáng)度過(guò)低,對(duì)于采空區(qū)支護(hù)強(qiáng)度不足、效果較差;綜上所述,選擇水灰比為4∶1的漿液較合適,材料消耗量相對(duì)較小,24 h、7 d凝固單軸抗壓強(qiáng)度分布為8.0 MPa、9.4 MPa,結(jié)石體的強(qiáng)度略低于巖體的強(qiáng)度,不會(huì)導(dǎo)致采煤機(jī)切割困難。

圖2 不同水灰比材料消耗及強(qiáng)度變化曲線

3 高山北探巷外部房采區(qū)施工方案

高山北探巷外部房采區(qū)劃分為1號(hào)及2號(hào)區(qū)域房采區(qū),根據(jù)高山北探巷外部房采區(qū)充填治理工程特點(diǎn),注漿采用全充填注漿方式進(jìn)行治理,并且每個(gè)區(qū)域房采區(qū)都分兩次注漿進(jìn)行充填治理。

房采區(qū)充填治理前先由礦方負(fù)責(zé)將風(fēng)井安裝的Φ108 mm注漿管路延伸至房采區(qū)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)聯(lián)巷開(kāi)口位置,注漿管鋪設(shè)在靠近房采區(qū)一側(cè)。在高山北探巷端部建設(shè)臨時(shí)水倉(cāng)用于抽排1號(hào)及2號(hào)區(qū)域房采區(qū)注漿充填期間的每個(gè)單元房采區(qū)低、中、高返水管返出的水,再15305輔運(yùn)巷及主聯(lián)巷內(nèi)鋪設(shè)鋪設(shè)一趟Φ108 mm排水管路將積水抽排至15305輔運(yùn)巷內(nèi)的水倉(cāng),排水管及注漿管均鋪設(shè)在巷道底部,管路位置具體位置如圖3所示。

圖3 注漿管、排水管布置示意

圖4 擋墻及注漿管布置示意(單位:mm)

施工順序?yàn)?先對(duì)1號(hào)區(qū)域房采區(qū)第1次注漿,后對(duì)2號(hào)區(qū)域房采區(qū)第1次注漿,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)漿液凝固情況,1號(hào)區(qū)域房采區(qū)第2次注漿與2號(hào)區(qū)域房采區(qū)第1次注漿可以交替施工,即1號(hào)區(qū)域房采區(qū)每個(gè)單元房采區(qū)預(yù)埋管路做擋漿墻時(shí),2號(hào)區(qū)域房采區(qū)可以進(jìn)行第1次注漿。

1) 首先進(jìn)行1號(hào)區(qū)域房采區(qū)下部注漿,經(jīng)1號(hào)聯(lián)巷房采區(qū)開(kāi)口處Φ108 mm的注漿管路接至房采區(qū),地面與井下管路連接,對(duì)1號(hào)區(qū)域所有房采區(qū)從里到外注漿充填。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿情況,在房采區(qū)聯(lián)巷打設(shè)擋漿墻,待注漿漿液距房采區(qū)聯(lián)巷頂板1.5 m左右時(shí)停止注漿,完成第1次注漿。

2) 其次進(jìn)行2號(hào)區(qū)域房采區(qū)下部注漿,經(jīng)2號(hào)聯(lián)巷房采區(qū)開(kāi)口處Φ108 mm的注漿管路接至房采區(qū),地面與井下管路連接,對(duì)2號(hào)區(qū)域所有房采區(qū)從里到外注漿充填。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿情況,在房采區(qū)聯(lián)巷打設(shè)擋漿墻,待注漿漿液距房采區(qū)聯(lián)巷頂板1.5 m左右時(shí)停止注漿,完成第1次注漿。

3) 1號(hào)區(qū)域下部漿液凝固后,開(kāi)始從1號(hào)區(qū)域房采區(qū)內(nèi)每個(gè)房采區(qū)最高點(diǎn)鋪設(shè)一趟注漿管,然后在每個(gè)房采區(qū)合適的區(qū)域架設(shè)返水返漿管三趟,分為低水位、中水位和高水位,管子固定在三角架上,三角架用方木支設(shè),并用雙股鐵絲將管子和三角架捆綁牢固,然后用編織袋裝滿矸石和沙子將返水返漿管壓住,防止注漿期間管路漂浮起來(lái),從里向外的順序?qū)⒚總€(gè)房采區(qū)充滿。

4) 2號(hào)區(qū)域下部漿液凝固后,開(kāi)始從2號(hào)區(qū)域房采區(qū)內(nèi)每個(gè)房采區(qū)最高點(diǎn)鋪設(shè)一趟注漿管,然后在每個(gè)房采區(qū)合適的區(qū)域架設(shè)返水返漿管三趟,分為低水位、中水位和高水位,管子固定在三角架上,三角架用方木支設(shè),并用雙股鐵絲將管子和三角架捆綁牢固,然后用編織袋裝滿矸石和沙子將返水返漿管壓住,防止注漿期間管路漂浮起來(lái),從里向外的順序?qū)⒚總€(gè)房采區(qū)充滿。注漿類(lèi)型:根據(jù)前期試驗(yàn)注漿情況,注漿漿液為高水材料,水灰比為4∶1.

5) 每個(gè)房采區(qū)開(kāi)口施工充填擋墻。為保證注漿充填效果,避免注漿材料的浪費(fèi),采空區(qū)充填前必須完成充填擋墻施工。在房采區(qū)的門(mén)口施工充填擋墻。充填擋墻由2道木板墻組成,2道木板墻通過(guò)8號(hào)鐵絲連接成一個(gè)整體,總厚度1.5 m左右。擋墻內(nèi)注入水泥、粉煤灰-水玻璃漿液,與2道木板墻共同形成厚度為1.5 m的充填擋墻。2道木板墻內(nèi)部用可以過(guò)濾水的無(wú)紡布鋪嚴(yán)實(shí),并在墻的4道縫隙處用漿液充填嚴(yán)密。通過(guò)綁扎固定預(yù)埋Φ110 mm注漿管進(jìn)行擋墻內(nèi)注漿充填,注漿管采用壁厚4 mm規(guī)格Φ110 mm×4 000 mmPVC管路。沿巷道高度布置,具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程條件確定。注漿管布置如圖所示。通過(guò)安裝的Φ110 mm注漿管,對(duì)擋墻內(nèi)的空間采用水泥、粉煤灰-水玻璃漿液進(jìn)行充填注漿,以盡快產(chǎn)生強(qiáng)度,便于提前施工。水泥使用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,漿液水灰比為1.0,水玻璃漿液質(zhì)量濃度為40波美度,按1∶1比例注入。水玻璃與主管路漿液采用人工注入,人工用鐵鍬攪拌均勻。

4 應(yīng)用效果分析

高山北探巷外部房采區(qū)注漿工程共消耗高水材料膠結(jié)料約90 t,高水材料成本約為總經(jīng)濟(jì)成本約18萬(wàn),加上約15萬(wàn)的施工費(fèi)用,整個(gè)充填工程成本約33萬(wàn),加固后保障了5～1號(hào)煤層回采巷道的正常掘進(jìn)及工作面的正常回采,產(chǎn)生較好的技術(shù)收益。解放5～1號(hào)煤層、8號(hào)煤層資源約6 000 t,每噸煤的利潤(rùn)約為350元,產(chǎn)生總的經(jīng)濟(jì)效益約為210萬(wàn)元,除去注漿工程成本仍產(chǎn)生約180萬(wàn)的正向收益,由此可見(jiàn),采用高水材料注漿充填具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語(yǔ)

文章以五家溝礦高山北探巷外部8號(hào)煤層房采區(qū)充填為工程背景,通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研、對(duì)比分析確定合適的注漿材料為高水材料,通過(guò)漿液配合比試驗(yàn)研究確定漿液最佳的水灰比為4∶1,根據(jù)房采區(qū)充填治理工程特點(diǎn)設(shè)計(jì)具體的注漿施工方案,通過(guò)實(shí)踐表明,設(shè)計(jì)方案可有效對(duì)房采空區(qū)進(jìn)行加固,保障5～1號(hào)煤層回采巷道的正常掘進(jìn)及工作面回采,并且取得良好的經(jīng)濟(jì)效益,可為礦井后續(xù)老空區(qū)、空巷的治理提供參考實(shí)例。