張 偉

（汾西礦業(yè)宜興煤業(yè)，山西 孝義 032300）

20世紀(jì)以來(lái)，由于我國(guó)采礦技術(shù)進(jìn)步不夠，許多煤礦采用房柱式礦柱開(kāi)采，造成了相當(dāng)大的資源浪費(fèi)。近年來(lái)，隨著煤炭資源的枯竭和開(kāi)采技術(shù)的提高，許多煤礦都采用了小坑采空區(qū)破壞煤層的多次開(kāi)采方法。

為了解決回采工作面回采困難的問(wèn)題，多位專家學(xué)者對(duì)小采空區(qū)回采的可行性進(jìn)行了研究。Wang[1]和Jiang[2]通過(guò)瞬變電磁法探測(cè)采空區(qū)范圍，確定開(kāi)采可行性。有學(xué)者建立了力學(xué)模型，打破不愿收到的頂部在空巷道和工作面影響因素調(diào)查先進(jìn)的故障，如空車道的寬度、角度，煤柱的寬度[3]，王昕[4]等在工作面通過(guò)頂高程之前對(duì)頂下活動(dòng)區(qū)進(jìn)行注漿充填，可有效降低支護(hù)工作阻力，使工作面安全高效地穿過(guò)開(kāi)闊空間。建立了工作面交叉時(shí)頂板的基本力學(xué)模型；但是，巷道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)小采空區(qū)的破壞和頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。

本文分析了頂板類型與充填參數(shù)的關(guān)系。最后提出了相應(yīng)的充填工藝，并進(jìn)行了工業(yè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這些方法有效地解決了巷道掘進(jìn)過(guò)程中頂板的失穩(wěn)和破壞問(wèn)題，為礦山掘進(jìn)過(guò)程中頂板控制提供了理論和技術(shù)參考。

1 地質(zhì)情況

1.1 地面位置

1204運(yùn)巷工作面地表東部300 m左右為南道村，南部630 m左右為龐莊村。西部840 m左右為劉家莊村（已搬遷），西南方向200 m左右為龐莊水塘。北部緊鄰寨上村（已搬遷），三泉溝由北至南斜跨工作面東部。

1204運(yùn)輸巷構(gòu)系統(tǒng)開(kāi)口在一采回風(fēng)巷內(nèi)以坐標(biāo)（X：4095974.106；Y：19558801.165）為巷中90°方位0°腰線施工5 m再以18°上山施工16 m后以0°腰線掘進(jìn)9 m后停掘（此段左幫擴(kuò)刷1 m，右?guī)蛿U(kuò)刷0.7 m，掘高按3.2 m施工），停掘后施工溜煤眼，待溜煤眼施工完畢后繼續(xù)向前施工37 m，再以9°下山掘進(jìn)40.6 m后沿2號(hào)下煤層頂板掘進(jìn)施工61.4 m后再以坐標(biāo)（X：4 095 974.106；Y：19 558 965.145）為巷中248°方位0°腰線掘進(jìn)40 m平段再以12°下山施工22.4 m，再以0°腰線施工10 m與一采軌道巷貫通，形成系統(tǒng)。

1.2 井下位置及四鄰采掘情況

1204運(yùn)輸巷井下東部190 m左右為井田邊界保安煤柱。西部為一采東三條大巷，北部和南部為2號(hào)下實(shí)體煤。上部為原1204工作面2號(hào)煤層采空區(qū)。

1204運(yùn)巷位于兩個(gè)褶皺構(gòu)造上。由3個(gè)褶曲組成（一個(gè)向斜、兩個(gè)背斜），煤層最大高差33 m左右。

根據(jù)原1203、原1204工作面2號(hào)煤層地質(zhì)資料，該巷道掘進(jìn)過(guò)程中存在2條正斷層；存在陷落柱2個(gè)，（見(jiàn)表1）。

表1 地質(zhì)構(gòu)造情況表

2 可再生頂板充填技術(shù)

2.1 充填材料選擇

充填小層狀采空區(qū)，要求充填材料具有良好的附著力，能黏結(jié)破碎圍壓，防止圍巖進(jìn)一步破壞，有效支撐頂板和采空區(qū)。同時(shí)，充填物料還應(yīng)具有成本低、易切削、易與煤分離的特點(diǎn)。高泡沫水泥材料具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)快的優(yōu)點(diǎn)。它們已被應(yīng)用于煤礦采空區(qū)的充填灌漿，但材料成本較高。因此，考慮成本和材料消耗等因素，采用高發(fā)泡水泥材料充填采空區(qū)。高泡沫水泥材料每體積固體材料較少，既可用于礦山充填，又可用于礦山防火。此外，泡沫材料具有初投資低、凝固快、早期強(qiáng)度大、耐提速高、易泵送、采空區(qū)密封性好等優(yōu)點(diǎn)，（見(jiàn)表2）。

表2 填充材料的高度和強(qiáng)度

2.2 高泡沫水泥材料比

確定了合理的高發(fā)泡水泥原料配比直接決定了充填體的強(qiáng)度、流動(dòng)性和穩(wěn)定性。影響高泡沫水泥填充特性的主要因素是水灰質(zhì)量比a、高泡沫添加劑和水體積比b、泡沫與水泥漿體體積比c。根據(jù)前人研究，取發(fā)泡量c為2，a為1.0∶0.5~1.0∶0.8，b為1∶25、1∶30、1∶35；計(jì)劃共設(shè)12組。每組方案準(zhǔn)備3個(gè)樣本，共36個(gè)樣本。由于巷道掘進(jìn)過(guò)程中充填，材料需要具有一定的早期強(qiáng)度，試件強(qiáng)度在7 d后進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)v為1.0∶0.7，b為1∶30時(shí)，材料在7 d內(nèi)強(qiáng)度最高，但當(dāng)a為1.0∶0.6時(shí)，填充強(qiáng)度可以滿足?？紤]到材料成本，最終的選擇是a的1.0∶0.6。這樣就填充了高泡沫材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)a為1.0∶0.6，b為1∶30時(shí)，物料在7 d內(nèi)強(qiáng)度最高，滿足充填料的需要。

2.3 高發(fā)泡水泥材料填充工藝

2.3.1 灌注系統(tǒng)

泡沫形成的重點(diǎn)是高泡沫添加劑和空氣。常用的發(fā)泡和滲注方法有高速混合器和壓縮空氣。試驗(yàn)證明，井下風(fēng)管輸送的空氣足以發(fā)泡，可以減少鋪設(shè)相關(guān)管道。由于充填面積有限，充填系統(tǒng)直接布置在需要充填的硐室和巷道附近。將隔膜泵與按1:30比例調(diào)節(jié)的起泡液注入混合器A中，由風(fēng)管空氣驅(qū)動(dòng)。所述氣泡壓力形成液體；水泥漿通過(guò)壓力泵與氣泡流體進(jìn)入B型混合器充分混合，形成高壓氣泡水泥；混合器B通過(guò)管道輸出高壓氣泡水泥進(jìn)入空區(qū)，灌注系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 灌注系統(tǒng)

2.3.2 充填過(guò)程

注漿鉆孔布置在充填巷道頂部?？紤]到鉆孔漿料的漿料擴(kuò)散范圍，鉆孔排距為5 m，深度為1~2 m（穿過(guò)至采空區(qū)）。鉆孔布置圖如圖2所示。首先通過(guò)鉆孔觀察采空區(qū)鉆孔情況，確定頂板類型和充填高度。從1號(hào)孔開(kāi)始，從左向右填充鉆孔，使用井下氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行注漿，并關(guān)閉鉆孔，防止?jié){液填充后溢出。待鉆孔凝固后，觀察鉆孔周圍的鉆孔情況。為了確保填料的性質(zhì)，固體材料存儲(chǔ)在泵站不應(yīng)該太多，但它應(yīng)該滿足2~3 d填寫(xiě)需求，同時(shí)確保干燥的固體材料，如水泥、可以使用填充板和添加塑料防水布。

圖2 鉆井布局方案（m）

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在1204運(yùn)輸巷的120~170車道20 m局部區(qū)域進(jìn)行充填試驗(yàn)。灌注系統(tǒng)是用來(lái)填寫(xiě)相關(guān)的工藝步驟。充填后，采用ytj20型測(cè)巖記錄儀進(jìn)行探孔，監(jiān)測(cè)充填前后頂?shù)装鍘r層情況，如圖3所示。

圖3 頂板的窺視圖

從圖3-1可以看出，孔壁為煤層頂板，煤層厚度約為1.3 m，頂部為采空區(qū)?？障秴^(qū)高度在1.2~1.5 m之間。近區(qū)煤層相對(duì)破碎，整體性差。圖3-2為1204運(yùn)輸巷充填結(jié)束后鉆孔透視圖。從圖3中可以看出，料漿中氣泡均勻，料漿脫水凝固凝固，與破碎巖體形成較好的黏結(jié)。從觀察孔的頂部，可以看到空區(qū)或落石的頂板，說(shuō)明料漿基本與空區(qū)頂板連接，起著連接下煤層與空區(qū)頂板的作用。

4 結(jié)論

破壞區(qū)下部巷道頂板預(yù)充料是控制巷道頂板、保證巷道安全掘進(jìn)、為后續(xù)工作面安全高效回采奠定基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)研究可以得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)巷道特點(diǎn)，選擇高發(fā)泡水泥材料對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)充填。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)研究，水灰質(zhì)量比為1∶7，高發(fā)泡添加劑與水體積比為1∶30，發(fā)泡量為2∶1，高發(fā)泡材料強(qiáng)度最高。但水灰質(zhì)量比為1.0∶0.6，強(qiáng)度也能滿足充填要求。因此，考慮到充填強(qiáng)度和充填成本，選擇水灰質(zhì)量比為1.0:0.6的高氣泡材料進(jìn)行充填。

2）根據(jù)充填材料，設(shè)計(jì)井下風(fēng)管發(fā)泡系統(tǒng)及相關(guān)工藝進(jìn)行充填，并在1204工作面輔助巷道進(jìn)行充填試驗(yàn)。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，高發(fā)泡材料的氣泡均勻，整體填充效果良好。