沁和能源候村煤礦高水材料巷旁充填技術分析

陳朝飛

（沁和能源集團有限公司候村煤礦 山西晉城048205）

0 引言

據統計研究我國70%以上的國有煤礦為高瓦斯礦井，瓦斯排放量呈現逐年增大的趨勢，受煤層透氣性能及井下復雜開采系統布置的影響，容易在工作面上隅角等位置形成瓦斯積聚現象[1]。沁和能源集團有限公司候村煤礦為高瓦斯、大地壓礦井，由于煤層致密、裂隙不發育，采動之前難以抽采瓦斯。采前預抽加U型通風也不能有效解決隅角瓦斯積聚的問題[2]，沿空留巷是在上區段工作面采過后，將運輸巷保留下來作為區段工作面開采時的回風巷，又稱作“一巷兩用”，可以形成長壁工作面Y形“兩進一回”的通風方式，在提高煤炭資源采出率的同時，還能有效優化進回風路線，避免工作面上隅角出現瓦斯積聚現象，因此在有條件的礦井采用工作面Y形通風布局方式能夠更好地解決工作面瓦斯積聚的難題[1]。但是這種開采方式對工作面的地質條件有一定的要求，同時巷道的變形量要控制在一定范圍內，且支護壓力不能過于強烈，充填開采可較好的滿足上述支護控制要求。

中國礦業大學研發的新型高水充填材料（以下簡稱高水材料）是一種能在高水灰比條件下快速凝結的無機充填材料[1,3-5]。材料本身和相關技術已經完善，并在多個礦務局現場實施，留巷效果良好。高水材料分甲料、乙料兩組分，甲料、乙料單獨與水混合24 h不凝結，為避免管路堵塞和一定條件下不沖洗管路創造了條件，與其它水泥類材料相比，新型高水材料具有許多技術優勢。

1 工作面概況

22301工作面井下位于北三盤區右翼，西接北三回風巷，東至北一盤區邊界煤柱，與22118采空區最短間距36 m，南鄰22303工作面（未布置），北鄰B2301工作面（未布置），其采掘工程平面圖見圖1所示。

圖1 22301工作面采掘工程平面圖

22301工作面平均長度2 652 m，工作面傾斜長度205 m，工作面沿2#煤層回采，煤層厚度4.15 m～5.50 m，平均4.75 m煤層最大傾角8°，最小傾角2°，平均約4°。該煤層頂底板情況見圖2所示。

圖2 22301工作面綜合柱狀圖

22301工作面采用MG750/1780-GWD型雙滾筒采煤機雙向割煤，進刀深度為0.86 m；采用采煤機螺旋滾筒配合SGZ-900/1050型可彎曲刮板輸送機裝煤；工作面采用SGZ-900/1050型可彎曲刮板輸送機、SZZ-900/315型橋式轉載機、PCM200型破碎機及DSJ120/180/3×400型膠帶輸送機運煤。

2 新材料物理力學性能

2.1 速凝早強特性

高水材料甲、乙兩組份分別加水攪拌后長時間不凝固，但當兩種漿體混合后20 min內可初凝。在實驗室標準測試條件下（水灰比為1.5:1），初凝時間可控制在15 min以內，2 h抗壓強度可達2.1 MPa，24 h抗壓強度可達到5.6 MPa，7 d抗壓強度可達10.36 MPa，28 d能達到10.82 MPa。1 d強度達到最終強度的50%以上，7 d強度可達到最終強度的90%以上。高水充填材料強度隨時間變化關系詳見圖3所示。

圖3 高水材料各齡期強度

2.2 抗壓強度與水灰比的關系

圖4為7 d齡期時高水材料單軸抗壓強度與水灰比的關系圖。從該圖可以看出，高水材料單軸抗壓強度與水灰比成反比關系，水灰比越小，用水量越少，凝結體強度就越高，單位體積充填需要使用的高水材料越多。反之，水灰比越大，用水量越多，凝結體強度就越小，單位體積充填需要使用的高水材料越少。0.5:1～0.75:1是普通水泥混凝土經常使用的水灰比范圍，此種條件下高水材料抗壓強度可達到30 MPa～50 MPa。根據高水材料與水灰比的關系，調節水灰比改變充填體抗壓強度可以滿足多種強度的工程需要。

圖4 高水材料單軸抗壓強度與水灰比關系

2.3 高水材料的變形性能

在水灰比1.5:1條件下，利用MTS815型剛性伺服機測得高水材料7 d齡期的全應力應變曲線和變形特點如圖5所示。

圖5 高水材料全應力應變曲線

從圖5看出，高水材料具有突出的塑性特征，在載荷達到峰值強度后，高水材料并不立即完全破壞喪失承載能力，而是隨著應變的進一步加大，承載能力呈緩慢下降趨勢，承載能力隨應變增加緩慢下降的速度遠小于一般的混凝土和巖石材料。該水灰比的高水材料峰值抗壓強度為10.36 MPa，當應變達到10%時，其抗壓強度還維持在峰值強度的65%以上，應變繼續增加達到18%，殘余抗壓強度為峰值的59%左右。因此，高水材料巷旁支護體呈現明顯的塑性特征，在壓力作用下可以允許產生較大的塑性變形，強度衰減比較緩慢，可以維持較高的殘余強度。

3 新材料充填技術優勢

相比較矸石沿空留巷技術和混凝土沿空留巷技術，高水材料沿空留巷技術具有以下優勢：

3.1 工藝簡單

高水材料沿空留巷技術與其他沿空留巷技術相比，工藝系統非常簡單，設備初期投資很少。

3.2 可長距離輸送

高水材料沿空留巷工藝用水量大、漿液流動性好，易于通過管路泵送，并且單漿液長時間內不凝結，能夠實現長距離泵送運輸，很好地適應復雜的井下生產環境，機械化程度高，生產效率高。

3.3 減少礦井水處理和排放費用

高水材料沿空留巷技術能夠大量利用礦井水，減少了礦井水處理與排放及其相關費用，同時又能夠提高煤炭資源回收率，符合國家節能減排和提高資源回收率的相關鼓勵政策，社會和生態效益顯著。

3.4 保持留巷穩定性

高水材料充填體強度可人為控制，初期支護阻力大、增阻速度快、恒阻性能好、與頂板接觸效果好，能夠適應頂板下沉而讓壓，并且充填體中置入的錨栓的作用使得充填體整體支護穩定性好。能夠滿足巷旁支護控制頂板和切頂的要求，有效地減少頂板下沉量與巷內支架承受的載荷，為留巷成功提供保證。

3.5 有效隔離留巷與采空區

阻燃抗靜電充填袋，將充填袋的富余量留在頂板上，利用泵壓將充填漿液與頂板緊貼，凝固后的充填體能夠很好地把采空區與巷道隔離開，能有效防止瓦斯爆炸和火災，提高了礦井開采的安全性。

3.6 充填開采沿空留巷的經濟性

侯村礦22301工作面沿空留巷使下一區段少掘約1 600 m巷道，巷道掘進成本約為5 000元/m，巷道掘進總費用為800萬元。留巷后，可回收寬度20 m的區段保護煤柱，煤層平均厚度4.75 m，留巷長度1 600 m，煤炭容重1.35 t/m3，回采率按照95%計算，則回收原煤194 940 t，噸煤售價按700元計算，回收煤柱所得效益為13 645.8萬元。22301工作面沿空留巷1 600 m，每米留巷成本14 200元，沿空留巷總成本為2 272萬元。綜上，22301工作面采用沿空留巷能夠產生12 173.8萬元的直接經濟效益，此外可大大減少瓦斯治理成本。

4 結論

采掘接續限制著候村煤礦的高產高效候村煤礦產量大，采掘接續緊張，嚴重制約著礦井的高效生產。在候村煤礦采煤工作面地質與開采條件普遍較好的條件下，推行新材料巷旁充填沿空留巷技術可有效減少回采巷道維護量，提高礦井的生產效能。