注浆充填技术在工作面过空巷中的应用

2021-09-15李超嵩

煤 2021年9期

李超嵩

(东山东兴煤业有限公司，山西太原 030006)

由于矿区无序开采、变更开采设计、处理复杂地质等因素，在一些矿井形成了很多废弃的空巷[1-2]。这些空巷长时间不维护，加上风化等原因，导致围岩变形破坏加剧。当矿井生产需要通过这些空巷时，如果不进行加固，极易出现冒顶等事故，严重威胁矿井的生产安全[3-5]。本文针对王庄煤业3505工作面过空巷实际情况，提出了采用注浆充填加固技术，经现场实践证明效果良好。

1 工程概况

王庄煤业3505工作面隶属35采区，所采煤层为3号煤层，工作面形状为“刀把子”，工作面1号切眼段367.5 m，2号切眼段360.5 m，推进长度2 016.04 m。煤层平均厚度4.85 m，含1层夹矸，厚度约为0.2 m，煤层层位、厚度稳定，倾角1～11°，工作面直接顶为泥岩，平均厚度2.75，基本顶为细粒砂岩，平均厚度6.00 m，直接底为砂质泥岩，平均厚度3.60 m。工作面布置216台ZY10000/26/55D液压支架。

在3505工作面中部回风巷道侧，局部存在一长度约220 m的放水巷道，现已废弃密闭。因该放水巷位于3505回采工作面中，影响工作面正常推进，如图1所示。为保证3505回采工作面正常回采，减少空巷对回采工作面的影响，提出对该废弃巷道进行注浆充填的技术方案。

图1 3505工作面空巷示意

2 空巷围岩变形破坏特征

开挖空巷过程中必然会打破巷道的原岩应力平衡，出现巷道变形。3505工作面在采动的影响下会加快巷道破坏变形，巷道破坏变形特征大体上可分为如图2所示的4个阶段：空巷的初始变形—弯曲离层变形—断裂破坏—垮落破坏。

图2 空巷围岩变形破坏特征

由图2可知，空巷完全破坏是一个渐变的过程，巷道在开挖初期产生的变形，随着时间的延续，空巷逐渐变形至离层垮落。不同的变形阶段采取的围岩控制技术也有一定区别。在初始变形阶段，空巷围岩变形一般都比较隐蔽，围岩变形难以得到有效控制。弯曲离层变形阶段，要对顶板采取必要的加强支护，防止其进入断裂、垮落阶段造成冒顶后果。因此从空巷围岩控制的角度出发，当巷道过了初始变形阶段便及时进行支护加固，采用高水材料对空巷区域及巷道围岩裂隙进行充填是有效的加固技术。

3 注浆充填加固技术

3.1 注浆充填加固原理

注浆充填无疑是空巷加固最好的方法，其原理主要是利用注浆充填加固法，营造出一个再生粘结体来保证空巷围岩整体的抗压能力。根据空巷的赋存条件，确定再生粘结体的强度，减缓顶板的压力下沉量和顶板垮落煤岩层对巷道顶板的冲击，并能承载垮落的煤岩层，以确保巷道两帮安全。当工作面过空巷时，采用高水材料对空巷区域及巷道围岩裂隙进行充填，能够使充填区域与围岩形成一个共同的整体，当工作面回采过程中，充填后的空巷有较强的承载能力，能够支撑巷道整体的稳定性，即使采煤机采过后破坏了充填体的完整性，剩余的充填体仍具有较高的支撑强度，足以保证巷道顶板的稳定性。

3.2 充填材料选择

充填材料配比选择原则是在保证安全情况下，考虑经济效益。因此，3505工作面空巷充填选用A、B材料，比例为1∶1，初凝时间控制在3～6 min，平均单轴抗压强度不低于1.5 MPa，材料的水灰比为6∶1，该配比条件下的液体粘稠度非常低，可以像水一样流动和渗透，只要无墙体阻挡即可流动到空巷内所有的低洼处和孔隙内，实现空巷的全断面有效支撑。

图3为水体积分数为91%～97%时，充填材料固结受压后，体积应变随时间的变化规律。由图可知，充填体受压后体积应变在160 h时间内变化非常小，位于0.000 75～0.003之间。证明该充填材料含水率高，内部裂隙少，受压后可缩性小。在现场应用过程中，充填体受到巷道围压情况下不会发生大的变形，能够对巷道围岩起到很好的支撑作用。

图3 不同含水量下高水材料充填体体积形变随时间变化

3.3 充填方案设计

由于3505工作面空巷尺寸不统一，因此充填方案采用分段阻隔充填法进行充填。按照巷道尺寸不同将空巷划分为6个区域，如图4所示。每个区域分割出构筑止浆墙，其中一段巷道长28 m、宽5 m、高5 m，二段巷道长29.5 m、宽2.5 m、高3 m，三段巷道长139 m、宽2.5 m、高3 m，四段巷道长20.5 m、宽2.5 m、高3.5 m，五段长17.5 m、宽2.5 m、高3 m，六段长48.5 m、宽3 m、高3 m。止浆墙厚1.5 m，止浆墙构筑完成24 h后方可进行充填作业，各区域注浆充填量如表1所示。

图4 分段阻隔充填法示意

表1 不同区域注浆充填量

4 应用效果

为了确定充填效果，在3505工作面过空巷期间对支架压力进行了分析。图5为工作面距空巷不同距离时，空巷范围内支架压力变化情况。由图5可知，工作面距离空巷23 m时，支架工作阻力开始逐渐增加，当工作面推进至空巷区域内时，支架工作阻力达到最大，压力为11 532 kN,工作面通过空巷后，支架工作阻力逐渐减小，通过空巷20 m后支架工作阻力降低到6 267 kN,之后压力正常波动。由此可见空巷前后20 m范围内为应力影响区域。