煤礦井下膠結填充綜采工藝技術的研究

王 亮

(大同煤礦集團有限責任公司云崗礦，山西 大同 037017)

引 言

隨著煤炭資源的不斷減少，各煤炭生產企業在進行綜采作業時已經越來越重視井下煤炭的出采率，在傳統的綜采技術方案中，需要通過預留大量的煤柱作為井下采空區的支撐，防止頂板發生塌陷，但與此同時會導致井下大量的煤炭無法出采，嚴重影響了煤炭生產企業的經濟效益，因此為了提升井下綜采作業的經濟性[1]，本文提出了一種膠結填充綜采工藝，其主要以煤矸石、膠粘劑、水等為原料按照一定的比例混合而成，具有成本低、結構強度大、承壓力強的特點，能夠極大提升煤礦井下采空區的支撐效果。

1 膠結填充下頂板移運規律的研究

本文以某礦地質結構為研究對象，為了更好地研究井下綜采作業時的頂板移運規律，搭建了礦壓顯現規律模擬試驗臺站，在模擬的填充物、煤層、頂板、底板的位置均設置監測點，記錄各個點位上的受力和位移變化情況[2]，對綜采過程中的頂板移運變化情況進行研究，模擬試驗結果如圖1所示。

由分析結果可知，隨著工作面的不斷加深，當其前移到8 m的位置，距離工作面的頂板約5 m時，頂板結構開始出現裂縫。通過模擬試驗結果可知，井下頂板在綜采作業過程中分別經歷了頂板離層形成期、頂板離層的增大期以及頂板離層的壓實期，采空區域的支護質量直接影響到離層最終的穩定性，在有高濃度膠結填充體的情況下，雖然頂板巖層發生了明顯的分離現象，但是并未出現垮落現象，其主要表現為頂板的下沉、產生離層、離層的逐漸壓緊，因此表明了高濃度膠結填充情況下井下采空區對頂板巖層支護的穩定性。

圖1 礦壓顯現規律試驗驗證平臺

2 高濃度膠結填充綜采面的設置

高濃度膠結填充綜采工作面的布置結構如圖2所示。

圖2 膠結填充綜采工藝綜采面布置結構

由圖2可知，在該充填工藝綜采面布置時，主要是將井下的回風巷設置在綜采面的斜上方，用于井下綜采作業時的人員、物料通行及通風，將物料運輸巷設置到綜采面的斜下方，同時在該巷道的下沉設置用于回風的沿空留巷，將用于充填的管路延著運輸巷布置，一直延伸到綜采作業面。在綜采作業面上設置專用的充填液壓支架，確保充填支護作業的安全性[3]。在綜采作業面上的充填管道要沿著工作面布置，到液壓支架的側后方，該填充管道上要設置三通閥以及充填布料管，三通閥的設置距離最大不要超過25 m，從而可以根據不同的充填作業需求，對不同的區域進行充填作業，還要在工作面的回風巷的位置安裝一組泄水管道，確保充填作業結束以后廢水的有效回收。

3 膠結填充用液壓支架

由于在采用膠結填充綜采工藝時，傳統的綜采支護液壓支架難以滿足隔離流體填充物的需要，因此需要采用專門的液壓支架，目前常用的包括充填專用液壓支架和充填隔離液壓支架，其結構如圖3所示。

圖3 膠結充填液壓支架結構示意圖

由圖3可知，所采用的膠結填充專用液壓支架和隔離液壓支架均采用了四柱支撐式的結構，在液壓支架的底座上均設置有立柱，主要用于固定液壓支架的頂梁，該類型的液壓支架的特殊之處在于其頂梁的前端為綜采作業提供支撐[4]，而其后側則主要為充填作業提供支撐，在其后側設置可以自由伸縮的隔離結構，能夠根據井下的地質條件充分與巷道底部接觸，形成一個相對封閉的空間，將綜采區域和充填保護區域隔離開來。同時在該封閉結構的兩側還設置有專用的可自由關閉的觀測孔，用于對井下填充作業情況進行觀測和調整，確保井下高濃度膠結填充綜采作業的穩定性和可靠性。

4 高濃度膠結充填開采工藝流程

煤礦井下采用高濃度膠結充填開采的工藝流程。

如圖3所示，首先是將各種充填料按照一定的比例進行充填，然后利用充填泵將混合均勻的高濃度膠結劑填充到井下需要進行充填的區域，具體來說包括混料、充填、清晰等過程，具體的充填工藝如圖4所示。

由圖4可知，混料時需要嚴格控制各填充原料的配比，從而滿足管道內輸送及井下凝結、充填強度的要求，在進行混料時所用的骨料主要是煤矸石，所選用的膠結劑主要是水泥等。

圖4 高濃度膠結充填工藝流程圖

充填料的管道內輸送，是指將配置好的充填料經過泵體加壓后通過充填管道傳輸到井下的充填作業面，然后根據井下不同的充填區域選擇控制不同的三通閥管路進行充填。

管路的清洗，主要是指在完成一次充填作業后需要對管道進行清洗，去除管道內殘留的充填料，在清洗時需要用高壓空氣進行最后的通管，使管道內所有的殘留物排出，避免導致管道堵塞，影響后續的充填作業。

5 結論

本文針對井下綜采作業時采用煤柱支護方式導致的綜采效率低下、煤炭回采率低的難題，提出了一種新的膠結填充綜采工藝，對其具體應用方式進行了論述，結果表明：

1) 膠結填充綜采工藝，其主要以煤矸石、膠粘劑、水等為原料按照一定的比例混合而成，具有成本低、結構強度大、承壓力強的特點。

2) 在井下填充時需要設置專用的液壓支架和隔離液壓支架，能夠根據井下的地質條件充分與巷道底部接觸，形成一個相對封閉的空間，將綜采區域和充填保護區域隔離開來。