五家沟矿高山北探巷外部房采区充填治理技术研究

穆玉林

(中煤科工山西华泰矿业管理有限公司,山西 朔州 036000)

1 工程概况

山西朔州山阴金海洋五家沟煤业有限公司设计生产能力每年3×106t,目前主采煤层为5-1号煤层,均为自燃煤层,平均煤层厚度8.5 m.高山北探巷范围内8号煤厚6.31～6.65 m,平均6.52 m,与上部5-1煤相距20 m左右。该煤层煤种为长焰煤,该煤层属石碳系上统太原组下部,黑色,半暗型,油脂光泽,平坦状断口。夹矸为泥岩,灰黑色,块状,平坦状断口。经井下实地探测时发现高山北探巷存在多处房采区,如图1所示。因上部5-1煤回采工作面位于该区域房采区上部,在5-1煤回采过程中该房采区必然对5-1煤回采工作面的正常回采和安全造成极大的影响,且对后期该区域8号煤的回采形成极大的隐患。因此,必须对该区域房采区采取有效充填加固,保证该区域5-1煤和8煤的回采与安全提供可靠技术保障。

图1 高山北探巷外部房采区注浆加固位置示意

2 充填材料的选择以及配比分析

充填浆液凝固后的强度对于采空区充填效果具有决定性的作用,充填体强度越大,对采空区围岩的支承能力越强,煤柱及工作面稳定性越好,但充填强度过大时,将影响采煤机割煤效率,提高生产成本,参照相关研究成果[1],充填体最合适的凝固强度为5～10 MPa.充填材料的选择需考虑材料消耗量、费用、充填效果等方面因素,目前使用较普遍的材料有化学浆液、水泥浆液、高水材料等[2-4],水泥浆液具有材料来源广、价格低、强度高等优点,但是存在凝结时间较长、结实率低、水泥材料消耗量较大等问题,较多的用于破碎围岩的加固,对于采空区、空巷充填工程中使用率较低;化学浆液具有渗透效果较好、凝固强度、时间可根据具体需要进行调节等优点,但是大多数化学浆液会释放一定量的有毒气体,存在一定的安全隐患,且材料价格昂贵,不适合大体量充填区域的使用;高水材料具有结实率高、材料消耗量少、凝固时间调节方便等优点,浆液凝固后不会出现析水现象;3种类型材料充填1 m3的成本分别为水泥750元、化学浆液2 300元、高水材料400元,结合五家沟矿房柱采空区充填工程需求,采用高水材料明显具有成本低、效果较好等优点,因此选择高水材料进行充填加固。

充填材料的配比对于其强度具有重要影响,选择合理的注浆浆液配制比例是取得较好充填效果的关键一步,因此设计不同水灰比高水材料配制方案及强度测试实验,采用高山北探巷外部房采区排水管中的地下水,测试其井下水温为17 ℃,配制水灰比为0.5～7的高水材料浆液,统计相同体积浆液条件下水、高水材料的消耗量,绘制其消耗量随着水灰比变化曲线如图2(a)所示,将不同水灰比的浆液导入模具制成试件,分别测试其凝固2 h、24 h、7 d后的单轴抗压强度,根据测试数据绘制出试件在不同凝固时间随水灰比变化曲线如图2(b)所示。根据试验结果分析可知,随着水灰比增大,单位体积所需高水胶结料的量逐渐减小,用水量逐渐增大,经济效果越好,水灰比大于4之后,胶结料的消耗量减小趋势减弱;同时考虑凝固体强度,水灰比大于4之后,各凝固时间条件下,试件的强度均较低,凝固7 d后单轴抗压强度仍小于7 MPa,固结强度过低,对于采空区支护强度不足、效果较差;综上所述,选择水灰比为4∶1的浆液较合适,材料消耗量相对较小,24 h、7 d凝固单轴抗压强度分布为8.0 MPa、9.4 MPa,结石体的强度略低于岩体的强度,不会导致采煤机切割困难。

图2 不同水灰比材料消耗及强度变化曲线

3 高山北探巷外部房采区施工方案

高山北探巷外部房采区划分为1号及2号区域房采区,根据高山北探巷外部房采区充填治理工程特点,注浆采用全充填注浆方式进行治理,并且每个区域房采区都分两次注浆进行充填治理。

房采区充填治理前先由矿方负责将风井安装的Φ108 mm注浆管路延伸至房采区1号、2号、3号联巷开口位置,注浆管铺设在靠近房采区一侧。在高山北探巷端部建设临时水仓用于抽排1号及2号区域房采区注浆充填期间的每个单元房采区低、中、高返水管返出的水,再15305辅运巷及主联巷内铺设铺设一趟Φ108 mm排水管路将积水抽排至15305辅运巷内的水仓,排水管及注浆管均铺设在巷道底部,管路位置具体位置如图3所示。

图3 注浆管、排水管布置示意

图4 挡墙及注浆管布置示意(单位:mm)

施工顺序为:先对1号区域房采区第1次注浆,后对2号区域房采区第1次注浆,根据现场浆液凝固情况,1号区域房采区第2次注浆与2号区域房采区第1次注浆可以交替施工,即1号区域房采区每个单元房采区预埋管路做挡浆墙时,2号区域房采区可以进行第1次注浆。

1) 首先进行1号区域房采区下部注浆,经1号联巷房采区开口处Φ108 mm的注浆管路接至房采区,地面与井下管路连接,对1号区域所有房采区从里到外注浆充填。根据现场注浆情况,在房采区联巷打设挡浆墙,待注浆浆液距房采区联巷顶板1.5 m左右时停止注浆,完成第1次注浆。

2) 其次进行2号区域房采区下部注浆,经2号联巷房采区开口处Φ108 mm的注浆管路接至房采区,地面与井下管路连接,对2号区域所有房采区从里到外注浆充填。根据现场注浆情况,在房采区联巷打设挡浆墙,待注浆浆液距房采区联巷顶板1.5 m左右时停止注浆,完成第1次注浆。

3) 1号区域下部浆液凝固后,开始从1号区域房采区内每个房采区最高点铺设一趟注浆管,然后在每个房采区合适的区域架设返水返浆管三趟,分为低水位、中水位和高水位,管子固定在三角架上,三角架用方木支设,并用双股铁丝将管子和三角架捆绑牢固,然后用编织袋装满矸石和沙子将返水返浆管压住,防止注浆期间管路漂浮起来,从里向外的顺序将每个房采区充满。

4) 2号区域下部浆液凝固后,开始从2号区域房采区内每个房采区最高点铺设一趟注浆管,然后在每个房采区合适的区域架设返水返浆管三趟,分为低水位、中水位和高水位,管子固定在三角架上,三角架用方木支设,并用双股铁丝将管子和三角架捆绑牢固,然后用编织袋装满矸石和沙子将返水返浆管压住,防止注浆期间管路漂浮起来,从里向外的顺序将每个房采区充满。注浆类型:根据前期试验注浆情况,注浆浆液为高水材料,水灰比为4∶1.

5) 每个房采区开口施工充填挡墙。为保证注浆充填效果,避免注浆材料的浪费,采空区充填前必须完成充填挡墙施工。在房采区的门口施工充填挡墙。充填挡墙由2道木板墙组成,2道木板墙通过8号铁丝连接成一个整体,总厚度1.5 m左右。挡墙内注入水泥、粉煤灰-水玻璃浆液,与2道木板墙共同形成厚度为1.5 m的充填挡墙。2道木板墙内部用可以过滤水的无纺布铺严实,并在墙的4道缝隙处用浆液充填严密。通过绑扎固定预埋Φ110 mm注浆管进行挡墙内注浆充填,注浆管采用壁厚4 mm规格Φ110 mm×4 000 mmPVC管路。沿巷道高度布置,具体根据现场工程条件确定。注浆管布置如图所示。通过安装的Φ110 mm注浆管,对挡墙内的空间采用水泥、粉煤灰-水玻璃浆液进行充填注浆,以尽快产生强度,便于提前施工。水泥使用42.5级普通硅酸盐水泥,浆液水灰比为1.0,水玻璃浆液质量浓度为40波美度,按1∶1比例注入。水玻璃与主管路浆液采用人工注入,人工用铁锹搅拌均匀。

4 应用效果分析

高山北探巷外部房采区注浆工程共消耗高水材料胶结料约90 t,高水材料成本约为总经济成本约18万,加上约15万的施工费用,整个充填工程成本约33万,加固后保障了5～1号煤层回采巷道的正常掘进及工作面的正常回采,产生较好的技术收益。解放5～1号煤层、8号煤层资源约6 000 t,每吨煤的利润约为350元,产生总的经济效益约为210万元,除去注浆工程成本仍产生约180万的正向收益,由此可见,采用高水材料注浆充填具有良好的经济效益。

5 结 语

文章以五家沟矿高山北探巷外部8号煤层房采区充填为工程背景,通过市场调研、对比分析确定合适的注浆材料为高水材料,通过浆液配合比试验研究确定浆液最佳的水灰比为4∶1,根据房采区充填治理工程特点设计具体的注浆施工方案,通过实践表明,设计方案可有效对房采空区进行加固,保障5～1号煤层回采巷道的正常掘进及工作面回采,并且取得良好的经济效益,可为矿井后续老空区、空巷的治理提供参考实例。