回收煤柱工作面過橫川堆煤膠結充填技術研究

張勇峰

（晉城煤業集團趙莊煤業，山西 晉城 048000）

我國大多數礦井采用走向長壁開采，留區段保護煤柱方式維護回采巷道。因此，大部分礦井都要在相鄰兩個工作面垮落穩定后，進行煤柱回收工作。回采巷道掘進一般采用雙巷掘進，每隔50～150 m掘進一條橫川，用于通風、運料，工作面回采后對橫川兩端永久密閉。將來回收煤柱布置工作面，將要穿過這些橫川，對回采造成嚴重影響，極容易發生片幫、冒頂事故，必須進行治理[1-3]。本文以趙莊煤業1301 和1302 工作面之間90 m 煤柱回收為工程背景，研究過橫川安全回采技術。

1 工程背景

趙莊煤業一盤區開采3#煤層，煤層平均厚度為 4.5 m，順序開采，目前正在開采第10 個工作面1310 工作面。1301 工作面和1302 工作面為最先開采的工作面，走向長度2600 m，保護煤柱寬度90 m，目前已垮落穩定，計劃對煤柱進行回收。沿兩側采空區往里各5 m，采取沿空掘巷方式掘進兩條順槽，寬5 m，高4.5 m，采用錨網索聯合支護方式。煤柱回收工作面布置示意圖如圖1 所示，橫川寬度5 m，高度4.5 m，橫川內頂板支護設計如圖2 所示。

圖1 煤柱回收工作面布置示意圖

2 橫川危害及充填方案比選

2.1 橫川危害

橫川高度4.5 m，見頂見底，支護良好。大采高工作面超前支承壓力影響明顯，由于橫川提供了自由變形空間，當工作面與橫川之間距離小于30 m 時，中間煤體受應力集中影響開始發生明顯變形。隨著回采進行，峰值壓力前移，最后10 m 煤體將完全破壞失穩，引起片幫，片幫后頂板失去支撐發生下沉、冒落，工作面停采處理。停采將造成片幫、冒頂加劇，最終形成惡性循環，甚至被迫撤架重開切眼。工作面與橫川不同距離下破碎狀況如圖3 所示。

圖2 橫川內頂板支護設計圖

圖3 工作面與橫川不同距離下破碎狀況

2.2 方案比選

橫川處理方案3個，包括：充填支柱加強支護法、高水材料全部充填法、堆煤膠結充填法。

充填支柱法是部分充填方式，通過快速澆筑水泥柱方式，對頂板形成支護，然后對頂板和兩幫錨索補強，提高整體承載能力。優點是充填體積小，施工速度快，節約材料；缺點是容易在水泥柱位置產生應力集中，也不能限制兩幫變形。

高水材料全部充填法，是采用速凝高水充填材料對整個空間進行充填，形成整體承載結構，限制煤幫變形。優點是充填體均勻，安全性最好；缺點是材料消耗量大，且大體積充填材料對煤質影響很大。

堆煤膠結充填方式，是在橫川內預埋注漿管，然后通過鏟車或者拋矸機往橫川內堆煤壓實，最后通過注漿管進行裂隙注漿膠結。優點是充填材料用量小，對煤質影響?。蝗秉c是工藝復雜，膠結強度較低。

根據上述分析，認為安全、煤質、材料消耗是關鍵因素，雖然堆煤膠結方式整體強度偏低，但足以限制煤幫大幅變形，能夠取得良好效果，因此決定采用堆煤膠結充填方案。

3 堆煤膠結充填技術方案

3.1 分段預埋注漿管

沿空掘巷后，橫川凈長度剩余70 m。裂隙注漿漿液擴散效果差，計劃分為7 段充填，每段10 m，后退式充填。每段堆煤前提前預埋2 趟Φ50 mm 高壓注漿膠管，吊掛在頂板最高點，每段之間建立一堵簡易擋墻，防止漏漿。后退式充填方式如圖4所示。

圖4 后退式充填方式

3.2 堆煤方式

將煤塊采用皮帶運輸方式從工作面輸送到橫川口，在橫川內布置皮帶和拋矸機，通過拋矸機將煤塊堆積到充填空間并簡單壓實，頂部500 m 無法堆積部分可以不做處理。每堆一個階段，停下等待注漿膠結完成后，再進行下一階段施工。

3.3 充填膠結材料

膠結材料需要在裂隙中充分流動，并且凝固后要有較高的強度。常規的注漿材料性能主要受制于水灰比，水灰比越小，強度越高，流動時間越短，反之水灰比越大，流動時間越長，但強度越低。

本次采用無機緩凝注漿材料，分為A 型和B 型，水灰比1.2:1。初始流動時間僅有2～5min，通過外加劑調整，使其具備30 min良好流動性，90 min終凝，8 h 單軸抗壓強度達到6 MPa，1 d 達到12 MPa，為最終強度的90%，完全可以滿足工程需求。

3.4 充填系統及工藝參數

注漿泵站布置在橫川外巷道硐室內，包括1 臺ZBYSB100/20-18.5 kW 液壓注漿泵、4 臺JB1500 電動攪拌桶、A、B料各2個攪拌桶，采用交替制漿方式，實現連續供漿。兩趟單液管路在充填點位置再進行混合，混合管長度10～15 m。注漿系統及連接示意圖如圖5 所示。

圖5 注漿系統及連接示意圖

注漿充填以充滿為止，為了防止對擋墻造成損壞，終止壓力2～3 MPa 即可。如果擋墻位置出現漏漿，可以減小水灰比至0.8:1～1:1，縮短漿液凝固時間，漏漿封堵后，恢復正常水灰比1.2:1。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

橫川長度70 m，總體積1575 m3，消耗膠結充填材料340 t，水灰比1.2:1，漿體總質量748 t，漿體密度1.7 t/ m3，則漿體充填體積為440 m3，堆煤充填率為72%。累計工期40 d。

4.2 效果考察

對堆煤膠結充填后填實率、工作面回采狀況進行考察。

（1）填實率。每個階段結束后，采用手持風鉆打1～2 個檢驗孔，孔深10 m，對檢驗孔進行鉆孔窺視，觀察裂隙發育情況。發現鉆孔完整，可見大量充填漿液，如圖6 所示，未發現未被充填的空白裂隙。然后對檢驗孔進行復注，注漿量極小，注漿體積基本與孔內體積相當，表明注漿膠結擴散效果良好。

圖6 鉆孔窺視部分結果

（2）工作面回采狀況。工作面推進到橫川前5 m 時，煤壁未出現破碎、片幫，推進到橫川位置時，煤壁為煤塊與漿體膠結體，結合緊密，工作面未發生片幫、冒頂現象，安全通過橫川。

5 結論

（1）堆煤膠結充填方式能夠減小充填材料用量，最大限度減輕對煤質影響，限制兩幫變形。

（2）設計分段后退式充填工藝，無機緩凝注漿材料具備30 min 良好流動性，8 h 單軸抗壓強度達到6 MPa，1 d 達到12 MPa，滿足裂隙擴散流動性和強度需求。

（3）效果考察表明，堆煤膠結充填方式填實程度良好，回采期間發現煤塊與漿體膠結良好，未發生片幫、冒頂現象，工作面順利通過橫川。