煤矿放水巷高水充填方法研究

马汉文

(潞安职业技术学院，山西 长治 046200)

对于地下煤矿开采而言，废弃空巷的存在往往对工作面推进构成严重影响，易发生冒顶及压架情况[1-2]，为此对废弃空巷进行及时处理是非常必要的。以往的处理方法，包括在空巷内架设木支架及单体支柱等，均达不到良好的支护效果[3-4]。近年来，学者们对高水充填技术进行了广泛的研究：杨勇指出水力泵送充填工艺与自行移动式充填支架相结合，可有效保障高水充填材料所具有的速凝早强、支护强度高及密闭性好等性能[5]；洛建军指出采用新型高水材料，能够克服膏体材料的各项弊端，具有施工效果好、效率高、成本低等优点[6]；卞卡等提出了高水充填材料全断面充填技术及墩柱加强支护技术，为综采工作面过空巷提供了一种安全高效的解决途径[7]。对于工作面内废弃空巷的处理，高水充填技术逐渐成为了主流的发展方向[8-9]。本文以某矿3505工作面为研究对象，对工作面内存在的放水巷进行了高水充填方法研究，以保障工作面安全高效开采。

1 工作面概况

某矿主采3号煤层3505工作面，工作面长度为2 017 m，煤层平均厚度约5 m，最大倾角10°左右。该工作面在回风巷与主运巷间有1个放水巷，长度约220 m，对工作面的正常推进构成不利影响，工作面布置情况见图1。

图1 工作面布置情况

该放水巷道完成任务后，进行了密闭处理，随着时间的推移，废弃巷道内将逐渐积聚瓦斯、硫化氢等有毒有害气体，同时围岩强度降低易引发空巷顶板垮落，影响周围围岩应力。放水巷如不及时治理，当工作面推进时，易引发安全事故，造成人员伤害和财产损失。对废弃空巷进行充填，可加固围岩顶板和巷道，同时逐步挤压有毒有害气体的空间，对保证矿井安全生产具有重要意义。

2 高水充填材料特性分析

为保障3505放水巷充填效果，需对所使用的高水材料进行研究。高水材料是指水体积份额可达93%～96%(水灰比约6.5∶1～11∶1)的水硬性材料。抗压强度变化情况见图2，高水充填材料固结体早强特征明显，随着水体积的增加，材料的抗压强度不断减小，两者呈负相关变化趋势，早期强度在5 h、20 h及8 d分别达到最终强度的18%、42%和93%，8 d后强度稳定。体积应变变化情况见图3，体积应变整体变化较小，说明受压性良好，适合用于空巷充填作业。

图2 抗压强度变化情况

图3 体积应变变化情况

3 3505放水巷高水充填方法

3.1 充填设备选择

根据3505放水巷巷道具体地质条件和充填注浆施工工艺的技术要求，本方案设计采取现场近距离制浆、短距离管道输送、大流量小压力注浆施工。注浆设备选用ZBYSB320/8-22型煤矿用双液变量注浆泵，性能指标见表1。

表1 双液充填泵性能指标

3.2 充填参数的确定

根据某矿3505放水巷位置及邻近工作面条件，针对废弃巷道内部充填选用超高水充填材料，与水配比形成液态充填材料，通过注浆泵进行注浆充填施工。所选材料水灰比(5～7)∶1，单轴抗压强度不低于1.5 MPa，初凝时间为3～6 min，通过钻孔注浆可按设计高度和范围进行充填，煤体经注浆加固后形成的再生体，其平均强度能够达到1.5 MPa左右。终孔注浆压力取4～10 MPa，浆液最终扩散高度4.5～5 m，单向流动距离控制在12～15 m。依据裂隙情况，适当增加注浆量来提高强度，注浆加固并充填高水材料直至饱满上压。通过上述注浆充填与加固方法，在巷道和空巷内形成高水材料的固结体与煤岩体的胶结再生体，可有效提高固结体的抗压强度和整体抗变形能力。

3.3 充填作业施工方法

高水材料空巷充填包括充填泵站与充填点两部分。注浆充填设备布置方式见图4，其中制浆站需要建立在通风良好、运输环节简单的地区。

图4 注浆充填设备布置方式

充填区域分6段进行。一段巷道高5 m；二至六段巷道高3.5 m。在3505回风巷煤壁打孔，打孔位置距顶板1 m，垂直煤壁90°，排距10 m，见图5。

图5 注浆孔示意

注浆前先沿回风巷走向每隔10 m在回风巷工作面侧肩角位置采用CMM2-20型液压锚杆钻车钻孔，注浆孔眼口高度距顶板1 m，注浆孔水平布置，钻孔直径50 mm，钻孔深度52 m，注浆孔埋入注浆管，注浆管长3 m，注浆钢管直径42 mm。采用分段阻隔充填方式，见图6。

图6 分段阻隔充填法示意

为了保证注浆效果，共分两次循环注浆：第一次注浆孔每隔10 m布置1个，注浆结束后，在之前的注浆孔中间再补1个注浆孔，保证总注浆孔间距达到5 m。

4 方案实施效果分析

放水巷充填完成后，分析了工作面支架阻力，见图7。可以看出，支架工作阻力整体呈现驼峰形变化特征。在距离空巷30～100 m时，支架阻力呈现小范围波动，最大阻力为7 324 kN；距空巷0～30 m时，支架工作阻力快速升高，在到达空巷时达到峰值，为11 514 kN；过空巷后，在-30～0 m范围内，阻力迅速降低至6 195 kN；过空巷-100～-30 m范围内，支架阻力平稳波动。结果表明空巷前后主要应力影响范围为30 m。

图7 过空巷期间支架工作阻力变化情况

通过现场观察，过空巷前后，工作面没有产生明显的片帮情况；对支架相关数据进行检测发现，仅少数支架发生了50～150 mm的下沉情况，安全阀已启动，工作面稳定，状态良好。说明对放水巷进行高水充填取得了较好的效果，保障了作业面工作安全。

5 结 语

1) 高水充填材料固结体早强特征明显，随着水体积的增加，材料的抗压强度不断减小。材料体积应变整体变化较小，说明受压性良好，适合用于空巷充填作业。

2) 针对某矿3505放水巷实际条件，给出了合理的充填设备、充填参数的确定方法以及充填作业的施工方法，有效保障了固结体的抗压强度和整体抗变形能力。

3) 通过现场实践，放水巷充填完成后，3505工作面过空巷前后，支架阻力呈现为驼峰形变化特征，影响范围仅为30 m，并且工作面稳定性良好，该充填方法保障了工作面作业安全。