空巷灌漿充填技術(shù)在岳城煤礦1307工作面應(yīng)用

楊江波

（山西晉煤集團(tuán)沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

井下開(kāi)采時(shí)，經(jīng)常遇到非正常開(kāi)采或井田設(shè)計(jì)變更留下的空巷。該類巷道受長(zhǎng)時(shí)間煤層擠壓和采動(dòng)影響，原先支護(hù)已普遍失效。當(dāng)工作面回采至空巷區(qū)域時(shí)，極易因采動(dòng)原因造成空巷頂板下沉，對(duì)工作面生產(chǎn)造成很大制約，甚至引發(fā)工作面大面積冒頂事故[1]。因此采取有效措施完善空巷支護(hù)，保障工作面能夠安全順利的通過(guò)，對(duì)于建設(shè)安全高效礦井具有重要意義。

1 工作面概況

岳城礦為資源整合礦井，井田范圍內(nèi)已探明存在多條小煤礦遺留空巷。東翼1307工作面東為礦界，西為2301工作面（已回采），北為1306工作面，南為1308工作面（未開(kāi)采），其頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 1307工作面煤層頂?shù)装迩闆r

1307工作面開(kāi)采3#煤層，3#煤層底板標(biāo)高為+376.5～+408.8 m，煤層平均厚度6.26 m，煤層傾角為1°～4°，平均3°。工作面走向長(zhǎng)度總長(zhǎng)1662.7 m，傾向長(zhǎng)度為195.5 m。工作面采用走向長(zhǎng)壁、后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，機(jī)采高度3 m，放煤高度3 m。全部垮落法管理頂板。工作面距離切眼前方270 m左右處有兩條小煤礦空巷平行于工作面切眼，空巷沿煤層頂板掘進(jìn)，其底板基本與支架頂梁處于同一水平高度，這意味著當(dāng)工作面推進(jìn)到此位置時(shí)，支架頂部距頂板有3 m高懸空距離，前方有跨度4.7 m（閉鎖巷寬度）的空頂距。兩巷相距14 m（邊對(duì)邊）左右，巷高3.3 m，寬4.6 m，矩形斷面，長(zhǎng)度194 m（邊對(duì)邊）。其巷道布置見(jiàn)圖1。

圖1 1307綜放工作面巷道布置

1307綜放工作面回采方向與小礦空巷正交，必須對(duì)空巷前后圍巖及時(shí)控制，防止因空巷坍塌導(dǎo)致工作面大面積冒頂，確保工作面正常回采。通過(guò)分析工作面一次揭露空巷方式下的礦壓規(guī)律，編制空巷充填設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行空巷充填工業(yè)性試驗(yàn)和效果考察分析。

2 數(shù)值模擬分析

利用FLAC3D軟件對(duì)1307工作面前方小礦空巷應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，見(jiàn)圖2。

圖2 FLAC3D數(shù)值模擬設(shè)置界面

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬，小礦空巷的存在使工作面支承應(yīng)力重新分布，并在空巷前后呈現(xiàn)“W”雙拱形分布，空巷上部圍巖應(yīng)力值接近12 MPa，其位置位于空巷靠近切眼方向5 m左右，見(jiàn)圖3。

圖3 距切眼方向5 m“W”型應(yīng)力分布

綜合考慮充填體受力特點(diǎn)、充填材料消耗成本這兩個(gè)因素，對(duì)充填體強(qiáng)度1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa分別進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并施加支架頂梁支護(hù)強(qiáng)度0.85 MPa。由數(shù)值模擬初步判斷，充填體強(qiáng)度應(yīng)大于2 MPa，且充填體強(qiáng)度越大，工作面前方煤巖體的塑性破壞程度越小，對(duì)于工作面推進(jìn)至空巷充填區(qū)域的安全保證性越強(qiáng)。同時(shí)綜合材料成本分析得出，選擇材料水灰比3∶1較為合適。既能保證充填體較好的受力特性，同時(shí)又能夠最大程度的降低工程成本[2]。

3 充填方案設(shè)計(jì)

計(jì)劃在空巷與工作面重合交接處設(shè)置擋墻，通過(guò)鉆孔插管灌注漿料，對(duì)空巷實(shí)行全部充填。

3.1 擋墻施工

下部擋墻分兩個(gè)階段實(shí)施，第一階段高度2.8 m，預(yù)留0.5 m的通風(fēng)空間，目的是確保通風(fēng)，人員可以進(jìn)入查看漿液流動(dòng)以及凝固情況。在空巷與13071巷交叉口以里5 m位置施工一道木板墻，板墻內(nèi)部表面鋪廢舊風(fēng)筒布，以防止板縫漏漿，木板墻外部架設(shè)單體柱，單體柱間距0.6 m，緊貼板墻設(shè)置，防止板墻被推到。木板墻四周與煤壁接觸處的間隙部分用編織袋或棉紗堵實(shí)，充填體長(zhǎng)度超過(guò)24 m后，充填液面即將達(dá)到第一階段施工的擋墻高度2.8 m處，此時(shí)將板墻頂部剩余的0.5 m部分完全封閉，同時(shí)將上部擋墻也完全封閉，停止通風(fēng)，禁止人員進(jìn)入。

3.2 管路鋪設(shè)

輸漿管路采用直徑50 mm高壓膠管及部分蛇形管，混合管長(zhǎng)度20 m。充填采用流量為700 L/min的雙液充填泵。輸漿管路為2條，通過(guò)三通或者人工加工Y型混合器，將漿液混合成一趟管，通過(guò)混合管將漿液充分混合。根據(jù)充填過(guò)程，逐步接長(zhǎng)充填管路，初步計(jì)算共需高壓膠管20根，每根30 m。在巷幫鋪設(shè)一組（兩趟）蛇形管，以作為充填管路使用，管路鋪設(shè)過(guò)程中應(yīng)注意吊掛平直、無(wú)起伏。

3.3 灌注鉆孔施工及封孔

在巷幫施工鉆孔，鉆孔成水平角度施工或略帶1°～3°仰角穿透煤柱到達(dá)空巷，鉆孔間距20 m，需施工8個(gè)鉆孔。鉆孔直徑75 mm，鉆孔內(nèi)插直徑38 mm的高壓膠管，高壓膠管2根，每根10 m[3]。將高壓膠管出漿口吊掛在頂板最高處。

3.4 充填檢查孔施工及封孔

為了防止堵管或局部接頂不佳，間隔60 m施工檢查孔，施工方法與灌注孔相同，只是作為返漿觀察孔，也可以作為補(bǔ)充灌注孔。分別在下部巷口以里60 m、120 m、170 m位置施工，此3個(gè)觀察孔位于巷道局部高點(diǎn)施工，終孔位置最好位于空巷頂部。檢查孔插管及封孔與充填孔一致，見(jiàn)圖4。

圖4 灌漿孔及檢查孔布置

3.5 材料用量計(jì)算

綜合考慮工程實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)效益，本次充填設(shè)計(jì)為空巷內(nèi)部空間一次充填，充填材料水灰比3∶1；并考慮5%的材料富余系數(shù)。充填材料在使用水灰比3∶1的條件下，每立方米充填體需要使用充填材料305 kg，單條閉鎖巷使用材料計(jì)算為：

3.3 m×4.6 m×194 m×305 kg/m3=898.2 t

則兩條空巷使用充填材料總量1796.4 t。考慮5%的富余系數(shù)，則預(yù)計(jì)本次充填所需使用的充填材料總量約為1796.4×1.05=1886.2 t。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

空巷區(qū)域位置為機(jī)頭277～300.6 m，機(jī)尾275～299.6 m，工作面于2017年7月17日自工作面機(jī)尾部分開(kāi)始進(jìn)入充填空巷區(qū)域，至7月26日工作面完全通過(guò)充填空巷，整個(gè)過(guò)程共歷時(shí)9天。工作面過(guò)空巷區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖5。

圖5 工作面過(guò)空巷機(jī)頭、架間區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)照片

從現(xiàn)場(chǎng)照片可以看出，工作面頂板、兩幫均未出現(xiàn)明顯下沉，支架初撐力、末阻力、頂板周期來(lái)壓情況均與正常回采階段無(wú)明顯差別，說(shuō)明空巷充填有效保證了工作面通過(guò)空巷充填區(qū)域的安全性。采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，對(duì)工作面過(guò)充填空巷區(qū)域時(shí)的兩順槽變形情況進(jìn)行了觀測(cè)統(tǒng)計(jì)。觀測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，工作面通過(guò)充填空巷區(qū)域期間，工作面兩順槽巷道中的頂板下沉量最大值為146.8 mm，底鼓量最大值為195.2 mm，左幫鼓出量最大值為49.8 mm，右?guī)凸某隽孔畲笾禐?2.2 mm，滿足規(guī)程及設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

按照充填方案對(duì)空巷進(jìn)行了完全充填，總計(jì)歷時(shí)29天，共使用充填材料2101.54 t。工作面通過(guò)充填空巷區(qū)域期間，工作面兩順槽巷道頂?shù)装濉蓭蛧鷰r變形量滿足規(guī)程及設(shè)計(jì)要求。工作面過(guò)空巷階段的支架初撐力、末阻力、頂板周期來(lái)壓情況均與正常回采階段無(wú)明顯差別。巷道內(nèi)部充填體與煤巖體形成整體，共同承擔(dān)工作面采動(dòng)影響造成的應(yīng)力作用，減少了巷道圍巖的塑性破壞，實(shí)現(xiàn)了工作面安全回采。