冯海宁,祁 旭,杨 晋
(鄂尔多斯市盛鑫煤业有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000)
长期以来,由于地质条件或开采技术水平的限制,许多小煤矿存在以掘代采的情况,对开采后的巷道未进行处理,形成大量的空巷,容易积聚瓦斯、老空水等[1-3]。布置综采工作面后,在工作面超前支承压力的影响下,老巷极易发生冒顶,诱发安全事故,严重影响安全生产。传统的过老巷方式主要有重新开切眼、木垛支护、注浆加固等,在不同矿井得到了应用[4-6]。但传统的过老巷方式存在成本高、效率低、对生产影响大的问题,推广应用前景小。为此,结合内蒙古盛鑫煤业42201 工作面中存在的老巷问题,开展了老巷充填技术的研究,取得了较好的效果。
盛鑫煤矿42201 工作面所采煤层为4-2 煤,煤层厚度1.62~2.70 m,平均厚度2.39 m,煤层结构简单,顶底板岩性见表1。工作面宽216 m,倾斜长度1 384 m,标高为1 330—1 348 m,地面标高为1 388—1 435 m。工作面安装Y10800/14/30 两柱型掩护式液压支架119 架,初撑力为7 916 kN,工作阻力为10 800 kN,支护强度为0.84~1.18 MPa,底板比压为1.76~2.09 MPa。
表1 4-2 煤顶底板岩性Table 1 Roof and floor lithology of No.4-2 coal
1.2.1 老巷位置
工作面范围内存在小窑破坏区,曾经布置有综采工作面切眼及巷道,但未回采。老巷与工作面的 位置关系如图1 所示。
图1 位置关系Fig.1 Position relation
1.2.2 老巷变形特征
由于42201 工作面回采范围内空巷成巷时间较早,巷道变形量大。与两个顺槽老巷相比,老切巷由于巷道跨度大,断面大,变形更为严重。切巷顶板呈现弯曲下沉,中间下沉量大,两帮向巷道内鼓出,部分区域严重底臌,巷道断面收缩率普遍在50%~60%,严重区域可达80%以上。巷道整体变形情况如图2 所示。
图2 老巷变形特征Fig.2 Deformation characteristics of old roadway
常规的老巷充填方式是在井下建立充填泵站,将充填材料运输到井下,在工作面两巷中制浆,将浆液充填到老巷中[7-8]。
盛鑫煤矿42201 工作面埋深较浅,在100 m 左右,为减小井下运输量,拟采用地面灌浆充填方式。即在地面利用定向钻孔施工至待充填的老巷中,在上方建立充填泵站,利用管路将浆体充填到老巷中。
当前常用的老巷充填注浆材料主要有波雷因化学材料[9]、(似)膏体材料[10]和高水材料[11-13]等。与化学材料、膏体材料相比,高水材料具有工艺简单、固体用量少、成本低的特点,适用于充填量较小老巷充填、巷道密闭等工程。
不同水固比、不同龄期的高水材料强度见表2[14-15]。
表2 高水材料强度Table 2 Strength of high water material
为实现对老巷顶板的有效支撑,要求充填体具有一定的强度,同时考虑到经济因素,确定选用4.0∶1 的高水材料,7 d 强度可达1.2 MPa,最终强度可达2.3 MPa 以上。
高水材料由甲、乙两种材料组成,使用时先分别制成浆体,单独输送,在距离充填地点一定距离时混合到一起,半小时左右混合液凝固支撑顶板,注浆设备布置如图3 所示。
图3 注浆设备配置示意Fig.3 Grouting equipment configuration
为方便注浆,在地面建设注浆站,占地范围为50 m×50 m(长×宽),主要设备见表3。
表3 地面充填站主要设备Table 3 Main equipment of ground filling station
为满足充填用水,在充填站建设蓄水池1 座,储水量不小于120 m3,配备供水泵2 台。充填站配电柜1 台,所有电器设备均配套足够的备件、线缆等相关配件。
在切巷及两端头布置充填钻孔11 个,钻孔开孔直径为150 mm,施工过程中,在地表松散土层段下套管。钻孔终孔位置在井下空巷处。钻孔布置如图4 所示。
图4 充填钻孔布置Fig.4 Layout of filling borehole
切巷长度为140 m,为保证充填效果,将两顺槽同时充填35 m,充填空间为2 000 m3,预计材料用量500 t。
(1)连接管路。将输料管路φ25 mm 高压管连接好,并在注料口用铁丝将隔水布的充填孔与输料管路扎好。
(2)配料制浆。按4∶1 水固比制浆,启动搅拌桶,先在搅拌桶中加水至固定位置,然后分别在搅拌桶中加入高水材料甲、乙料。单浆的搅拌时间不小于2 min。为保证连续注浆,在一个搅拌桶中的料浆输送时,在另外一个搅拌桶中加水制浆。
(3)泵送充填。支撑完成后,启动注浆泵开始充填。每次注浆前先注清水对管路进行润滑,然后连接搅拌桶进行注浆。在两趟单浆管路进入井下后,离带充填老巷10 m 左右时,利用三通将管路连接到一起。
(4)管路清洗。在每次注浆结束后,需要对搅拌桶和注浆管路进行清洗。待搅拌桶中的水由浑浊逐渐变清时,视为清洗完成。
为减小浆液流失,需要对充填老巷两侧进行封堵。为此,在老顺槽两侧35 m 处施工钻孔,向巷道内注入化学浆液。由于化学浆液凝结速度快、并且膨胀倍数大,注入一定量后即可膨胀接顶,实现对巷道的密闭。
在工作面回采之前对老巷进行充填,距离老切巷60 m 时充填结束,为验证充填效果,在距离老切巷30 m 范围内对支架工作阻力进行观测记录。结果表明,工作面在老巷前后支架工作阻力保持在8 500 kN 左右,变化较小,未发生明显的片帮、冒顶。结果表明,充填的高水材料接顶较密实,对顶板的支撑效果好,保证了工作面的安全生产。
(1)工作面回采区域内的老巷容易积聚瓦斯、老空水等,并且巷道冒顶压缩,变形量大,存在严重的安全隐患。而传统的重开切眼、木垛等加固方式存在成本高、效率低、对生产影响大的问题。
(2)高水材料具有工艺简单、固体用量少、成本低的特点,适用于充填量较小的密闭工程,结合盛鑫煤业42201 工作面老空巷的具体情况,确定高水材料的水固比为4∶1。
(3)盛鑫煤矿采用地面灌注老巷充填的方式,环节较少、充填效果好,提高了煤炭资源的回收率,取得了较好的经济和社会效益,适用于埋深较浅的老巷充填,具有广阔的推广应用前景。