郭家河煤矿老巷围岩控制与充填防灭火技术

胡鑫印 张晓琴 杨 丰

（1.江苏博厦矿山科技有限公司，江苏 徐州 221008；2.徐州宝丰特钢有限公司，江苏 徐州 221137；3.杭州道宇检测技术有限公司，浙江 杭州 310000）

1 概 况

郭家河矿为高瓦斯矿井，煤层具有自然发火倾向，当工作面回采结束时，需对工作面两顺槽进行封闭，防止工作面采空区瓦斯涌出和采空区遗煤自燃。以前，矿方采用两头砌筑料石墙，中间充填黄土的方法密闭工作面两顺槽。该方法存在劳动量大、墙体强度低、易产生裂缝、密闭效果差等缺点，工作面来压时密闭墙体被压垮，产生裂隙，导致工作面采空区瓦斯溢出，空气进入采空区导致采空区遗煤氧化自燃，一氧化碳超标。郭家河矿1307工作面于2017年5月下旬回采结束，1307回风顺槽与1307甩道均已密闭完成。在矿山压力的作用下，巷道密闭墙及巷道周边产生了诸多裂隙，导致采空区遗煤氧化，巷内一氧化碳含量超标，采空区瓦斯涌出，极大地影响了矿井安全生产。因此，必须采取措施消除隐患。采用超高水充填材料封堵裂隙，具有工艺简单、便于操作、封堵效果好、还可大幅降低成本等优点。

2 充填区域

1307回风顺槽与1307甩道设计均为矩形断面，锚网索联合支护，沿煤层底板掘进。1307回风顺槽和1307甩道现有断面分别约22m2和15m2，长度分别约62m和43m，总的空巷充填空间约2009m3。充填区域平面示意图见图1（阴影部分为待充填区域）。

图1 1307回风顺槽和1307甩道老巷充填示意图

3 充填材料简介

超高水充填材料是一种能在高水灰比条件（W/C=1.2:1～8:1）下快速凝固的特种熟水泥，是中国矿大承担的国家“七五”、“八五”重点攻关项目的研究成果。该材料分甲料、乙料两部分，按1:1的比例相配使用。甲料、乙料单独与水混合不固结，为避免管子塞堵和一定条件下不洗管路创造了条件，而甲料浆和乙料浆一旦相互混合则快速固结硬化。

超高水材料浆具有良好的渗入性能，可以很好地渗入巷道围岩裂隙，凝固后，封堵了漏风通道的同时也改善了巷道周围的承载结构，提高了承载性能。

该材料在W/C=1.6:1条件下凝固9d以后应力应变曲线和形变特性如图2所示。

图2 超高水充填材料全应力应变曲线

从图2看出，超高水材料具有突出的塑性性能，在荷载达到极值强度后，超高水充填材料并不立即完全破坏失去承载性能，而是随着形变的进一步加大，承载能力呈缓缓下降变化。承载性能随形变增加下降的速度远小于普通的材料，此水灰比条件下该材料极值单轴强度为10.35MPa，当应变达到12%时，其单轴抗压强度还维持在极值强度的66%以上，形变继续增加达到19%，剩余抗压强度为峰值的58%左右。

通过调节水灰比控制浆液流动性和材料抗压强度可以满足需求，该材料充填构体呈现明显的塑性材料性能，在矿压作用下可以允许较大的塑性形变，强度衰弱速度比较慢，可以维持较高的剩余强度，很好地抵挡后期的围岩应力，以防再次在矿山压力的作用下形成漏风通道。

4 充填技术

超高水充填材料甲料浆、乙料浆按1:1的比例混合使用。由于甲料浆、乙料浆单独加清水搅匀不凝固，而一旦混合则快速凝固硬化，需分别搅拌和泵送甲料浆、乙料浆。

施工包括运输材料、制料浆、注浆、冲洗等工序。注浆设备的配置如图3所示。

图3 注浆设备配置示意图

从图3中可以看出，充填设备的位置和作业空间不受现场条件的约束，可以通过增加出浆管路进行合理选择。

5 充填效果分析

5.1 围岩变形方面

选取两个点进行围岩观测，所观测的数据分别为顶、底板移近量，观测数据如图4所示。从围岩观测数据可以看出，从第五周充填密闭施工完成后，围岩的变形速度明显下降，围岩得到了良好的控制。

图4 围岩观测数据

5.2 空气温度、气体浓度方面

通过密闭墙束管气体采样分析，连续观测一个月，温度由原先的35℃降至26℃，一氧化碳降至0ppm，瓦斯浓度降至3.8%。

6 结论

（1）超高水材料制浆后，具有良好的流动性，可以在自重的作用下渗入巷道围岩裂隙通道内。浆液凝固后，不仅封堵了漏风通道，而且改善了围岩的力学性能，提高了承载强度。

（2）超高水材料凝固后，具有较高的单轴抗压强度，在围岩的三向应力作用下，大幅提高了抗压强度，更好地满足了围岩控制的强度要求。

（3）充填结构呈现明显的塑性特征，在矿压作用下允许较大的塑性形变，强度衰弱速度慢，可以维持较高的剩余强度。充填体的塑性更好地适应顶板活动破坏规律，可以很好地抵抗后期的矿山压力，以防再次在矿山压力的作用下形成漏风通道。

（4）充填设备的位置和作业空间不受现场条件的约束，根据井下实际情况进行合理选择，进一步降低职工的劳动强度和改善职工的工作环境。

（5）超高水材料充填后，同时实现了围岩的有效控制和防灭火两项技术要求。