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工作面過冒落空巷綜合治理技術(shù)研究

2021-01-09 05:37張勇峰
山東煤炭科技 2020年12期
關(guān)鍵詞:水灰比高強頂板

張勇峰

(晉城煤業(yè)集團趙莊煤業(yè),山西 晉城 048000)

煤礦資源整合前,小煤窯多采用巷式開采,形成大量空巷,且多數(shù)已經(jīng)破壞冒落,形態(tài)復(fù)雜,導(dǎo)致布置正規(guī)工作面時,需要過空巷開采??障镂:O大,容易產(chǎn)生瓦斯積聚、片幫、冒頂、支架下沉等諸多問題。國內(nèi)進行過多種類型的空巷治理技術(shù)研究,手段豐富,包括地面制漿站充填、井下移動充填、充填支柱、冒落區(qū)鉆孔注漿等[1-3]。空巷治理關(guān)鍵在于根據(jù)現(xiàn)場實際選擇切實可行、經(jīng)濟合理的治理方式。本文以趙莊煤業(yè)大采高工作面過多條冒落空巷為工程背景,進行安全回采技術(shù)研究。

1 工程背景

晉煤集團趙莊煤業(yè)3308 工作面開采3#煤層,采用一次采全高綜合機械化采煤法,開采高度4.5 m,全部垮落方式管理頂板。工作面傾向長度200 m,走向長度1100 m。布置進風(fēng)巷和回風(fēng)巷兩條順槽,巷道斷面均為矩形,寬×高=5 m×4.5 m。

工作面兩條順槽于2019 年6 月竣工后,開始掘進切眼,切眼設(shè)計寬度10 m。第一次掘進寬度5 m,已經(jīng)貫通,正在進行擴寬切眼工作,擴寬掘進寬度5 m。

工作面回風(fēng)巷一側(cè)存在3 條空巷,均為原巷式開采遺留巷道,寬度5 m,與切眼方向垂直,間距40 m,最右側(cè)空巷3 與回風(fēng)巷相鄰。從切眼第一次掘進揭露來看,空巷已經(jīng)完全冒落,內(nèi)部為煤、巖散亂堆積形態(tài),且回風(fēng)巷受最右側(cè)空巷影響,巷幫十分破碎,尚未回采,巷道變形已十分嚴(yán)重。

工作面與空巷位置關(guān)系如圖1 所示,空巷冒落形態(tài)如圖2 所示。

2 空巷危害及治理思路

2.1 空巷危害

通過切眼第一次掘進過3 條空巷片幫、冒頂,以及回風(fēng)巷圍巖破碎變形嚴(yán)重來看,空巷完全冒落,危害較大。正在進行擴切眼工作,將繼續(xù)穿過三條空巷。切眼掘進完畢,工作面開始回采后,三條空巷將繼續(xù)產(chǎn)生影響。

為了避免擴切眼和回采過程中頂板事故發(fā)生,非常有必要對3 條空巷進行加固處理。

圖1 工作面與空巷位置關(guān)系圖

圖2 空巷冒落形態(tài)示意圖

2.2 治理思路

治理步驟分為兩步:第一步為擴切眼前方加固,保障安全掘進;第二步為空巷治理,保障安全回采和巷道維護。

其中第二步空巷治理時,應(yīng)對三條空巷區(qū)別治理。空巷1 和空巷2 兩側(cè)有約束,回采暴露面積小,對回采影響相對較小,加固思路是以充填為主。通過低成本的充填材料將空洞和裂隙填滿,使破碎矸石和漿液固結(jié),形成整體結(jié)構(gòu),借助液壓支架對頂板的支撐作用,維護幫部和頂板??障?位于端頭區(qū),受超前支承壓力持續(xù)影響,對回采和巷道維護影響較大。治理思路以加固為主,必須提高整體強度,限制圍巖變形。

第二步空巷治理,計劃在回風(fēng)巷內(nèi)進行。由于冒落區(qū)難以打鉆成孔,采用順序治理方式,先治理空巷3,空巷3 內(nèi)部形成密實結(jié)構(gòu)后,再施工鉆孔治理空巷2,最后治理空巷1。

3 冒落空巷綜合治理技術(shù)

3.1 擴切眼安全掘進預(yù)注漿

擴切眼由于采用單體柱和工字鋼支護方式,支護強度不高,預(yù)注漿應(yīng)當(dāng)與空巷3 治理思路一致,以加固提高強度為主,防止出現(xiàn)頂板事故。

在切眼一次掘進形成的空間內(nèi)施工鉆孔,每條空巷施工上、下2 個鉆孔。上部鉆孔距離頂板0.5 m,仰角15°,下部鉆孔距離頂板2.2 m,仰角0°。鉆孔深度為6 m,超過擴切眼寬度1 m,孔徑均為42 mm。擴切眼預(yù)注漿鉆孔布置如圖3 所示。采用高強注漿材料,水灰比0.8:1。

圖3 擴切眼預(yù)注漿鉆孔布置示意圖

3.2 空巷3 淺孔注漿加固

空巷3 注漿加固在回風(fēng)巷內(nèi)進行。巷道高度為4.5 m,設(shè)計鉆孔排距3 m,每排布置2 個鉆孔,矩形布置。上部鉆孔距離頂板0.5 m,仰角15°,下部鉆孔距離頂板2.2 m,水平布置。鉆孔深度7 m,超過空巷3 巷幫1 m,孔徑均為42 mm。鉆孔布置平面圖如圖4 所示。采用高強注漿材料,水灰比0.8:1。

3.3 空巷 1、2 充填固結(jié)

空巷1、2 充填在回風(fēng)巷內(nèi)實施,采用深孔打鉆注漿方式,先加固空巷2,再加固空巷1。

空巷2 鉆孔布置方式:布置單排鉆孔,孔間距5 m,開孔高度距離頂板1.5 m,仰角2°,孔深55 m,超過空巷2 巷幫5 m,孔徑75 mm。

空巷1 鉆孔布置方式:布置單排鉆孔,孔間距5 m,開孔高度距離頂板1.5 m,與空巷2 深孔鉆孔交叉布置,仰角1°,孔深95 m,超過空巷1 巷幫5 m,孔徑75 mm??障?、2 深孔鉆孔布置如圖5所示。采用高水充填材料,水灰比3:1。

圖4 空巷3 淺孔注漿鉆孔布置平面圖

圖5 空巷1、2 深孔鉆孔布置示意圖

3.4 注漿、充填材料

采用了兩種材料,高強注漿材料和高水充填材料。

高強注漿材料為無機材料,分為A/B 型,水灰比0.8:1。混合漿液可在0.5~3 min 內(nèi)凝結(jié),10 min左右完全硬化,能夠有效防止巷幫漏漿。2 h 即具備10 MPa 以上的強度,3 d 強度達(dá)到18 MPa,能夠?qū)ζ扑槊喉菲鸬娇焖偌庸?、提高強度的作用。單價約 2500 元 /t。

高水充填材料也為無機材料,分為A/B 型,水灰比在2:1~5:1 之間可調(diào),本次采用3:1 水灰比?;旌蠞{25~30 min 凝結(jié),能夠在裂隙中充分流動擴散,且與普通水泥相比,完全不泌水。約1 h 完全固結(jié),1 d 強度 3.2 MPa,7 d 強度 4~5 MPa。由于使用了大量的水,單立方材料消耗僅0.4 t,單價約1500元/t。

4 效果考察

(1)擴切眼掘進效果。每條空巷各布置2 個注漿鉆孔,單孔注漿量約5 t,共計消耗高強注漿材料30 t。擴切眼揭露發(fā)現(xiàn),截割時煤壁平直,頂板完好,未發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象。

(2)工作面回采過空巷。采取超前100 m 預(yù)注方式,給漿液足夠的凝固時間。工作面回采揭露空巷,發(fā)現(xiàn)漿液與破碎煤矸固結(jié)一體,形成完整煤壁和頂板,采煤機截割并未出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象?,F(xiàn)場實景如圖6 所示。

圖6 工作面揭露注漿冒落空巷實景

(3)端頭區(qū)巷道維護。注漿加固后,端頭區(qū)巷幫變形明顯得到控制,變形速度自6 mm/d 下降到1 mm/d 以下,基本穩(wěn)定?;夭沙坝绊懛秶鷥?nèi)巷幫累計鼓出量不足60 mm,完全滿足巷道安全使用和回采安全。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)三條空巷對掘進、回采影響程度和治理思路,制定了擴切眼掘進預(yù)注漿、空巷3淺孔注漿、空巷1 和空巷2 充填固結(jié)的三步綜合治理方案。

(2)采用高強注漿材料和高水充填材料兩種材料,高強注漿材料速凝早強,滿足了破碎煤巖加固、提高強度的需求。高水充填材料擴散性好,材料消耗少,滿足了破碎煤巖膠結(jié)、節(jié)約成本的需求。

(3)效果考察表明,注漿加固后的破碎煤巖體固結(jié)良好,掘進、回采過程中未出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象,端頭區(qū)巷幫變形量極小,完全可以滿足使用要求。

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