五家溝礦高山北探巷外部房采區充填治理技術研究

穆玉林

(中煤科工山西華泰礦業管理有限公司,山西 朔州 036000)

1 工程概況

山西朔州山陰金海洋五家溝煤業有限公司設計生產能力每年3×106t,目前主采煤層為5-1號煤層,均為自燃煤層,平均煤層厚度8.5 m.高山北探巷范圍內8號煤厚6.31～6.65 m,平均6.52 m,與上部5-1煤相距20 m左右。該煤層煤種為長焰煤,該煤層屬石碳系上統太原組下部,黑色,半暗型,油脂光澤,平坦狀斷口。夾矸為泥巖,灰黑色,塊狀,平坦狀斷口。經井下實地探測時發現高山北探巷存在多處房采區,如圖1所示。因上部5-1煤回采工作面位于該區域房采區上部,在5-1煤回采過程中該房采區必然對5-1煤回采工作面的正常回采和安全造成極大的影響,且對后期該區域8號煤的回采形成極大的隱患。因此,必須對該區域房采區采取有效充填加固,保證該區域5-1煤和8煤的回采與安全提供可靠技術保障。

圖1 高山北探巷外部房采區注漿加固位置示意

2 充填材料的選擇以及配比分析

充填漿液凝固后的強度對于采空區充填效果具有決定性的作用,充填體強度越大,對采空區圍巖的支承能力越強,煤柱及工作面穩定性越好,但充填強度過大時,將影響采煤機割煤效率,提高生產成本,參照相關研究成果[1],充填體最合適的凝固強度為5～10 MPa.充填材料的選擇需考慮材料消耗量、費用、充填效果等方面因素,目前使用較普遍的材料有化學漿液、水泥漿液、高水材料等[2-4],水泥漿液具有材料來源廣、價格低、強度高等優點,但是存在凝結時間較長、結實率低、水泥材料消耗量較大等問題,較多的用于破碎圍巖的加固,對于采空區、空巷充填工程中使用率較低;化學漿液具有滲透效果較好、凝固強度、時間可根據具體需要進行調節等優點,但是大多數化學漿液會釋放一定量的有毒氣體,存在一定的安全隱患,且材料價格昂貴,不適合大體量充填區域的使用;高水材料具有結實率高、材料消耗量少、凝固時間調節方便等優點,漿液凝固后不會出現析水現象;3種類型材料充填1 m3的成本分別為水泥750元、化學漿液2 300元、高水材料400元,結合五家溝礦房柱采空區充填工程需求,采用高水材料明顯具有成本低、效果較好等優點,因此選擇高水材料進行充填加固。

充填材料的配比對于其強度具有重要影響,選擇合理的注漿漿液配制比例是取得較好充填效果的關鍵一步,因此設計不同水灰比高水材料配制方案及強度測試實驗,采用高山北探巷外部房采區排水管中的地下水,測試其井下水溫為17 ℃,配制水灰比為0.5～7的高水材料漿液,統計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入模具制成試件,分別測試其凝固2 h、24 h、7 d后的單軸抗壓強度,根據測試數據繪制出試件在不同凝固時間隨水灰比變化曲線如圖2(b)所示。根據試驗結果分析可知,隨著水灰比增大,單位體積所需高水膠結料的量逐漸減小,用水量逐漸增大,經濟效果越好,水灰比大于4之后,膠結料的消耗量減小趨勢減弱;同時考慮凝固體強度,水灰比大于4之后,各凝固時間條件下,試件的強度均較低,凝固7 d后單軸抗壓強度仍小于7 MPa,固結強度過低,對于采空區支護強度不足、效果較差;綜上所述,選擇水灰比為4∶1的漿液較合適,材料消耗量相對較小,24 h、7 d凝固單軸抗壓強度分布為8.0 MPa、9.4 MPa,結石體的強度略低于巖體的強度,不會導致采煤機切割困難。

圖2 不同水灰比材料消耗及強度變化曲線

3 高山北探巷外部房采區施工方案

高山北探巷外部房采區劃分為1號及2號區域房采區,根據高山北探巷外部房采區充填治理工程特點,注漿采用全充填注漿方式進行治理,并且每個區域房采區都分兩次注漿進行充填治理。

房采區充填治理前先由礦方負責將風井安裝的Φ108 mm注漿管路延伸至房采區1號、2號、3號聯巷開口位置,注漿管鋪設在靠近房采區一側。在高山北探巷端部建設臨時水倉用于抽排1號及2號區域房采區注漿充填期間的每個單元房采區低、中、高返水管返出的水,再15305輔運巷及主聯巷內鋪設鋪設一趟Φ108 mm排水管路將積水抽排至15305輔運巷內的水倉,排水管及注漿管均鋪設在巷道底部,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)

施工順序為:先對1號區域房采區第1次注漿,后對2號區域房采區第1次注漿,根據現場漿液凝固情況,1號區域房采區第2次注漿與2號區域房采區第1次注漿可以交替施工,即1號區域房采區每個單元房采區預埋管路做擋漿墻時,2號區域房采區可以進行第1次注漿。

1) 首先進行1號區域房采區下部注漿,經1號聯巷房采區開口處Φ108 mm的注漿管路接至房采區,地面與井下管路連接,對1號區域所有房采區從里到外注漿充填。根據現場注漿情況,在房采區聯巷打設擋漿墻,待注漿漿液距房采區聯巷頂板1.5 m左右時停止注漿,完成第1次注漿。

2) 其次進行2號區域房采區下部注漿,經2號聯巷房采區開口處Φ108 mm的注漿管路接至房采區,地面與井下管路連接,對2號區域所有房采區從里到外注漿充填。根據現場注漿情況,在房采區聯巷打設擋漿墻,待注漿漿液距房采區聯巷頂板1.5 m左右時停止注漿,完成第1次注漿。

3) 1號區域下部漿液凝固后,開始從1號區域房采區內每個房采區最高點鋪設一趟注漿管,然后在每個房采區合適的區域架設返水返漿管三趟,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,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,從里向外的順序將每個房采區充滿。

4) 2號區域下部漿液凝固后,開始從2號區域房采區內每個房采區最高點鋪設一趟注漿管,然后在每個房采區合適的區域架設返水返漿管三趟,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,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,從里向外的順序將每個房采區充滿。注漿類型:根據前期試驗注漿情況,注漿漿液為高水材料,水灰比為4∶1.

5) 每個房采區開口施工充填擋墻。為保證注漿充填效果,避免注漿材料的浪費,采空區充填前必須完成充填擋墻施工。在房采區的門口施工充填擋墻。充填擋墻由2道木板墻組成,2道木板墻通過8號鐵絲連接成一個整體,總厚度1.5 m左右。擋墻內注入水泥、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道木板墻內部用可以過濾水的無紡布鋪嚴實,并在墻的4道縫隙處用漿液充填嚴密。通過綁扎固定預埋Φ110 mm注漿管進行擋墻內注漿充填,注漿管采用壁厚4 mm規格Φ110 mm×4 000 mmPVC管路。沿巷道高度布置,具體根據現場工程條件確定。注漿管布置如圖所示。通過安裝的Φ110 mm注漿管,對擋墻內的空間采用水泥、粉煤灰-水玻璃漿液進行充填注漿,以盡快產生強度,便于提前施工。水泥使用42.5級普通硅酸鹽水泥,漿液水灰比為1.0,水玻璃漿液質量濃度為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 應用效果分析

高山北探巷外部房采區注漿工程共消耗高水材料膠結料約90 t,高水材料成本約為總經濟成本約18萬,加上約15萬的施工費用,整個充填工程成本約33萬,加固后保障了5～1號煤層回采巷道的正常掘進及工作面的正常回采,產生較好的技術收益。解放5～1號煤層、8號煤層資源約6 000 t,每噸煤的利潤約為350元,產生總的經濟效益約為210萬元,除去注漿工程成本仍產生約180萬的正向收益,由此可見,采用高水材料注漿充填具有良好的經濟效益。

5 結 語

文章以五家溝礦高山北探巷外部8號煤層房采區充填為工程背景,通過市場調研、對比分析確定合適的注漿材料為高水材料,通過漿液配合比試驗研究確定漿液最佳的水灰比為4∶1,根據房采區充填治理工程特點設計具體的注漿施工方案,通過實踐表明,設計方案可有效對房采空區進行加固,保障5～1號煤層回采巷道的正常掘進及工作面回采,并且取得良好的經濟效益,可為礦井后續老空區、空巷的治理提供參考實例。