綜放工作面老巷充填工藝設(shè)計(jì)與圍巖控制研究

1.工程概況

某煤礦1301-2綜放工作面 （圖1）面長 300m ，走向長度 530m ，可采儲量121萬噸，煤層傾角5至 9^° ，平均煤厚6.8m ，中間巷長度 775m ，斷面 20m² 煤層頂?shù)装寰鶠閺?qiáng)沖擊。1301-2綜放工作面北部以一采區(qū)大巷保護(hù)煤柱為界與礦井一采區(qū)軌道下山為鄰，西部與1300工作面采空區(qū)相鄰，南部以 460m 煤柱為間隔與1301工作面采空區(qū)為鄰，東部則以 230m 煤柱為間隔與1303工作面相鄰。工作面中部布置一條貫穿整個工作面的中間巷，受中間巷切割影響，工作面上部 80m 煤柱形成孤島，回采期間超前動壓與西側(cè)采空區(qū)側(cè)向壓力疊加，極易導(dǎo)致老巷發(fā)生大面積抽冒和沖擊地壓。為解決中間巷頂板控制及沖擊地壓防治難題，對中間巷進(jìn)行了整體灌槳充實(shí)。

2.充填方案

2.1技術(shù)可行性分析

2.1.1自流條件分析

可知，灌漿系統(tǒng)自流到中間巷管道不會產(chǎn)生失流堵塞現(xiàn)象。

自地面至1301-2綜放工作面中間巷上端端口，注漿充填垂距 900m ，平距 2250m 根據(jù)充填倍線計(jì)算公式：

式中，N-充填倍線;

L-充填系統(tǒng)水平管道、豎直管道及彎管等總長度，m;H-充填系統(tǒng)管道入口與出口的垂直高差，m。

代入相關(guān)數(shù)值，得到 N=2.5

根據(jù)充填倍線定義，當(dāng) Nlt;5 時，則充填料槳可以實(shí)現(xiàn)自流。因此，從地面注漿，漿液具備自流條件，無需額外動力輸送。

2.1.2管道承壓分析

施工前，對灌漿系統(tǒng)進(jìn)行了注水打壓試驗(yàn)，系統(tǒng)敷設(shè)管路打壓5MPa，持續(xù)24小時，無跑冒滴漏情況，灌漿設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)壓力不大于2MPa進(jìn)行預(yù)警，大于預(yù)警值后地面智能灌漿系統(tǒng)自動減流量降壓，因此，管道承壓滿足要求。

2.1.3漿液失流分析

現(xiàn)場試驗(yàn)，漿液從地面自流至中間巷注漿地點(diǎn)用時約 15min ，出口水流量大約為 65m³/h ，地面對漿液同步進(jìn)行取樣試驗(yàn)，失流時間 40min ，初凝時間60min ，終凝時間 180min ，通過實(shí)驗(yàn)綜上分析，構(gòu)建系統(tǒng)滿足施工要求。

2.2漿液配比設(shè)計(jì)

通過采場類比法，實(shí)測該煤礦受采動集中應(yīng)力影響，工作面前方空巷壓力一般不會超過 2MPa 通過20組漿液配比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水灰比0.8：1的情況下，28天單軸和三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，粉煤灰灌漿材料28天單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)6MPa，粉煤灰灌漿材料可通過改變水泥摻量滿足材料強(qiáng)度要求，本次灌漿粉煤灰、水泥、添加劑及水的重量比為15：4：1：16。

2.3灌漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用地面災(zāi)害治理中心智能灌漿系統(tǒng)，將二級粉煤灰、PO42.5水泥、小料及添加劑，按設(shè)計(jì)配比將數(shù)據(jù)輸入至機(jī)載電腦中，將地面三個100噸罐體分別動態(tài)注入粉煤灰、水泥和添加劑，操作人員按下一鍵啟停鍵后，系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)配比進(jìn)行智能精準(zhǔn)制漿，制漿后轉(zhuǎn)存至儲漿罐，通過地面自流至井下中間巷迎頭。當(dāng)班注漿完成后，將充填管路閥門關(guān)閉，打開排水管路閥門，將沖管污水排到1301-2綜放工作面中間巷門口沉淀池，利用池中水泵向外排水至一采回風(fēng)下山排水管路。

? 圖2：老巷粉煤灰充填灌漿系統(tǒng)圖。老巷粉煤灰充填灌漿系統(tǒng)圖（圖2）。

3.灌漿充填施工

3.1灌漿充填施工工藝

（1）施工前，地面灌漿站人員與井下灌漿人員各自檢查設(shè)備完好情況，雙方電話確認(rèn)無誤后，開始加水試機(jī)，沖洗潤滑管路系統(tǒng)，檢查出口水壓與水量是否發(fā)生異常變化。

（2）按照設(shè)定配比攪拌制漿、轉(zhuǎn)存與排漿。排漿前，雙方電話確認(rèn)，是否可以灌漿。

（3）地面停止灌漿前，雙方電話確認(rèn)，根據(jù)漿液在管路中運(yùn)行時間，確定管路漿液外排時間。

（4）充填工藝

① 罐車運(yùn)輸?shù)姆勖夯摇⑺?、添加劑分別放入倉儲中，備足當(dāng)班使用量；速凝劑運(yùn)至中間巷門口制漿注入。② 根據(jù)設(shè)定配比自動往高速攪拌系統(tǒng)中加入定量水，開啟攪拌機(jī)。③ 定量上料系統(tǒng)自動按照設(shè)定數(shù)據(jù)上料。④ 持續(xù)攪拌1min后，通過轉(zhuǎn)存系統(tǒng)，將漿液輸送至儲漿攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌。⑤ 打開儲漿攪拌機(jī)底部與自流管道連接的閥門，進(jìn)行灌漿輸送。

3.2沖洗管路設(shè)計(jì)

（1）每班灌漿前，地面灌漿站與井下灌槳人員通過電話保持聯(lián)系，首先從地面放入清水，沖刷管路，測試出水口水流量與水壓是否發(fā)生明顯變化。測試沖刷時間不小于 20min 0

（2）灌漿結(jié)束前，地面灌漿站與井下灌漿人員通過電話保持聯(lián)系，提示地面已不再下料，開始洗罐及清洗管路。15min后井下人員將出漿口引入沉淀池內(nèi)，將管路系統(tǒng)中的污水與清水排放。

沖洗標(biāo)準(zhǔn)：出漿口排清水時間不小于15min；15min后，待管路中水放出，地面灌漿站再放入清水，沖刷管路，沖刷時間不小于 20min ，連續(xù)操作2次。

4.效果

4.1安全效果顯著

粉煤灰充填治理深部沖擊性礦井采煤工作面老巷效果顯著，一是解決了回采期間老巷應(yīng)力集中問題，降低了沖擊風(fēng)險(xiǎn)[；二是杜絕了老巷積塵浮煤和瓦斯積聚，確保了通防安全；三是確保了頂板完整，降低了頂板垮落冒頂風(fēng)險(xiǎn)；四是節(jié)省了成本，較以往錨網(wǎng)索 + 木垛加強(qiáng)支護(hù)方式降低 30% 以上；五是采煤機(jī)可直接截割充填體，優(yōu)減了木垛回撤工序，實(shí)現(xiàn)工作面常態(tài)化高效生產(chǎn)。

30天完成 775m 老巷粉煤灰充填，老巷充填密實(shí)，圍巖狀態(tài)良好，同時粉煤灰配比科學(xué)合理，采煤機(jī)可直接截割，確保了工作面安全高效生產(chǎn)。

4.2提高開采效率

老巷治理不到位會影響開采的連續(xù)性，需要花費(fèi)大量的時間和人力進(jìn)行維護(hù)工作。經(jīng)過治理后，老巷進(jìn)行高效充填后，減少了因?yàn)槔舷锞S護(hù)而造成的開采中斷情況[3，充填回采前后工作面單刀生產(chǎn)時間由原來的4小時／刀減少至2小時／刀，大大減少回采時間，提高工作面回采效率。

4.3巷道圍巖控制有效

采用粉煤灰充填，充填體接頂率達(dá)到 98% ，巷道收斂量控制在 50mm 以內(nèi);經(jīng)微震監(jiān)測系統(tǒng)驗(yàn)證，實(shí)施區(qū)域能量釋放指數(shù)下降 76% ，成功規(guī)避了2次潛在沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)。

4.4解放孤島煤柱資源

中間巷粉煤灰充填，實(shí)現(xiàn)了80米煤柱安全回采，消除了孤島煤柱帶來的安全隱患，為煤柱安全回收提供了技術(shù)支撐，既能挖掘存量資源增加經(jīng)濟(jì)效益，又能減少煤柱長期遺留引發(fā)的自燃、地表塌陷等，利于礦井資源回收和長遠(yuǎn)接續(xù)。

4.5節(jié)約成本

充填工藝相對傳統(tǒng)的老巷維護(hù)工藝，減少了天量的人力投入，從而減少人力成本，相較于傳統(tǒng)木垛支護(hù)工藝，此技術(shù)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，單班作業(yè)人員由16人/班減少至5人/班，施工效率提升3.2倍。綜合來看，節(jié)約了礦井的支出成本。

5.結(jié)束語

本文對沖擊地壓礦井老巷治理難題，依托地面灌漿智能配比平臺，從地面向井下各種特殊的老巷進(jìn)行高效灌漿充填，代替了傳統(tǒng)的老巷木垛加固方式，更加安全、環(huán)保、高效，對沖擊地壓治理、頂板維護(hù)、防滅火、粉塵治理等方面更有利[4，具有廣泛的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]齊鵬。煤礦充填開采技術(shù)的相關(guān)探討[J].當(dāng)代化工研究.2020（16）

[2]孫希奎。礦山綠色充填開采發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù).2020（09）

[3]孟和、王小虎。內(nèi)蒙古自治區(qū)煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀和建議[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì).2020 （19）

[4]韓吉宏、孫濤。充填開采技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì).2021（24）作者單位：山東李樓煤業(yè)有限公司