轩岗煤业22113工作面过空巷注浆充填技术应用研究_王伟.pdf

轩岗煤业 22113 工作面过空巷注浆充填技术应用研究 王 伟 （大同煤矿集团轩岗煤电有限责任公司焦家寨矿 ，山西 大同 034114 ） 摘要 为保证轩岗煤业 22113 工作面顺利通过空巷， 通过数值模拟、 理论分析、 实验室实验、 现场勘 查等方法， 探究工作面过空巷期间， 空巷围岩的破坏规律， 探讨空巷充填的必要性， 并确定充填体的合 理强度为 4MPa， 实验室实验研究确定高水注浆材料的最佳水灰比为 41， 设计具体的充填工艺和工 作面调斜方案， 实际应用期间监测液压支架和工作面片帮量的变化情况， 结果表明充填方案完全达到 所需要求， 保障了工作面顺利通过空巷。 关键词 数值模拟 ； 高水材料 ； 注浆充填 ； 液压支架 中图分类号 TD353； TD823.7文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0019-04 Application Study on Grouting and Filling Technology of Crossing Roadway in Xuangang Coal Industry 22113 Face WANG Wei （Datong Coal Mining Group Xuangang Coal power co., Ltd. Jiazhai Mine , Datong 034114 ， China ） Abstract In order to ensure that the 22113 working face of Xuangang Coal Industry passed through the empty roadway successfully, through the s of numerical simulation, theoretical analysis, laboratory experiment, on-site investigation, etc., the law of surrounding rock destruction of the empty roadway during the passage of the working face was explored, and the empty roadway filling The necessity of determining the reasonable strength of the filling body is 4MPa, and the laboratory experiment study has determined that the optimal water-cement ratio of the high-water grouting material is 4 1, designing a specific filling process and working face tilting plan, during the actual application period Monitoring the changes in the hydraulic support and the amount of the working face, the results show that the filling plan fully meets the required requirements, ensuring that the working face smoothly passes through the empty lane. Keywords Numerical simulation ; high water material ; grouting and filling ; hydraulic support 1工程概况 同煤集团轩岗煤电有限公司 22113 工作面处于 1010 开采水平，工作面位于 221 采区东翼，南为 221 采区 22111 采空区， 北为实体煤层， 西为 221 总 回风巷轨道巷及皮带巷， 工作面切眼以东为原始煤 层，工作面对应地面标高 11601320m，井下标高 830961m， 22113 工作面相对地面位置在我矿井田 范围西北方向一带， 地面为山地地貌， 无重要建筑 物。地面为山地地貌， 局部为梯田地貌， 无重要建筑 物。回采会造成部分区域塌陷、 裂缝。22113 工作面 煤层厚度 45.6m，均厚 4.8m，煤层结构中等复杂 型， 含夹石 1- 3 层， 单层厚度一般在 0.2m 以下， 倾 角 711， 平均 9， 煤层顶底板岩层特征详见表 1。工作面在回进风及切眼掘进过程中共揭露 2 条 断层， 为具体确定断层的产状， 在距 22113 工作面 切眼 550m 处施工了一条空巷， 如图 1 所示， 为保证 22113 工作面顺利的推过该空巷展开相关研究。 2空巷原有支护 表 1煤层顶底顶板情况表 图 122113 工作面巷道布置详情 22113 工作面内距切眼 550m 处存在一条空巷， 空巷轴向与工作面长度方向平行， 长度为 120m， 断 面尺寸宽高 4.43.8m， 空巷掘进时期采用锚网 索进行支护， 顶板采用锚杆和锚索支护， 靠近中间 的两根锚杆 （锚索） 间距 1334mm， 两侧锚杆间或锚 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 顶、 底板名称岩石名称厚度 /m特 征 老 顶细粒砂岩K23.3灰色， 石英长石为主， 缓波状层理。 直接顶泥岩1.3 灰黑色， 薄层状， 含叶部化石， 水平 层理。 伪 顶泥岩0- 0.8大部分缺失 直接底细粒砂岩4.26 灰白色， 石英长石为主， 泥质基底 式胶结， 缓波状层理。 老 底泥岩2.61 黑色， 含较多菱铁太结核， 水平层 理。 19 ChaoXing 杆与锚索间间距 1333mm， 排距 1000mm， 锚索和锚 杆同排布置， 每排两根锚杆和两根锚索或者四根锚 杆两种布置方式交替， 同排锚杆 （锚索） 采用四眼钢 带固定， 均垂直顶板施工， 锚索长度为 8.0m， 锚杆长 度为 2.0m。两帮采用锚杆进行支护，锚杆长度为 2.0m， 间排距 12001000mm， 均沿水平方向布置。 空巷的详细支护见图 2。 （a） 支护断面 （b） 顶板支护 图 222113 工作面空巷支护详情 3空巷充填体强度模拟研究 依据轩岗煤业 22113 工作面具体的地质条件， 采用 FLAC3D 软件建立三维数值模型 [1-2]，模型的 长宽高 220m220m85m，其中煤层厚度 4.8m， 底板总厚度 21m， 上覆岩层总厚度 59.2m， 工 作面沿模型宽度方向布置， 工作面长度 180m， 工作 面向 X 轴负方向推进， 共推进 100m， 空巷位于模型 左侧。模拟时首先进行 22113 工作面回采巷道及开 切眼的开挖支护， 然后进行空巷的开挖支护， 并在 空巷内充填不同强度的充填体， 然后进行 22113 工 作面的推进。工作面与空巷间的距离称为煤柱宽 度。整理得到图 3 所示模拟结果。 由图 3 所示结果可以看出， 随着空巷与工作面 间煤柱宽度的减小， 空巷围岩塑性破坏范围不断增 大， 当煤柱宽度小于 15m， 塑性区贯穿整个煤柱， 结 合空巷表面位移量变化规律， 当煤柱宽度小于 10m 时， 空巷围岩变形量剧增， 因此说明， 煤柱的安全宽 度为 10m， 不进行充填的情况下， 空巷将失稳破坏 严重， 采取充填措施时， 工作面距空巷 10m 以上时， 充填体应该已达到设计强度。 （a）煤柱宽度 20m（b）煤柱宽度 15m （c）煤柱宽度 10m（d）空巷变形规律 图 3空巷未充填模拟结果 （a）垂直变形规律（b）水平变形规律 图 4充填体变形量示意图 为确定空巷充填体的合理强度， 分别进行充填 体强度为 16MPa 的模拟实验，当工作面与空巷间 煤柱宽度为 5m 时， 统计充填体的变形量， 整理得到 图 4 所示的结果， 由图可知， 充填体位移量随强度 的变化呈非线性变化， 充填体强度增大， 其压缩量 和横向变形量均逐渐减小，当充填体强度由 2MPa 增大至 4MPa 时，充填体的压缩量和横向变形量均 显著减小； 充填体强度由 4MPa 增大至 6MPa， 充填 体变形量减小趋势明显减缓， 由此说明， 从减小空 巷的变形来说， 当充填体强度达到 4MPa 即可， 充填 体强度继续增大，对于减小空巷变形量益处不大， 并且可能引起采煤机割煤困难， 因此确定充填体最 佳强度为 4MPa。 422113 工作面空巷充填技术 4.1充填材料研究 空巷充填材料的选择需要综合考虑材料用量、 充填效果、 成本等因素， 目前较为常见的材料包括 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 20 ChaoXing 化学、 水泥浆液及高水材料[3]， 化学材料容易带有毒 性， 水泥浆液存在凝固时间较长、 结石率低、 析水量 大等问题， 高水材料具有凝固时间可控、 流动性好、 无析水、 渗透性好、 价格便宜等优点。根据 22113 工 作面空巷条件，采用高水材料作为充填材料具有明 显的优势， 因此确定充填材料为高水材料。为确定合 适的浆液水灰比，保证充填体强度达到4MPa 以上， 且不影响采煤机正常切割， 在实验室进行不同水灰 比浆液的配制， 并通过三轴压缩实验测得材料凝固 2h、 24h、 7d 后的强度， 整理得到图 5 所示结果。 图 5不同水灰比结石体强度 由图 5 所示结果可以看出，同样水灰比条件 下， 浆液凝固时间越长， 其强度越高； 不同水灰比条 件下， 水灰比越大， 浆液的浓度时间越长， 凝固后结 石体的强度越小。由注浆材料凝固强度角度进行水 灰比选择时， 可考虑凝结时间 24h 的结石强度达到 要求 （＞4MPa ） ， 水灰比小于 4 时可满足要求， 水灰 比越大， 材料用量越少， 经济效果愈好， 因此确定高 水材料水灰比为 41。 4.2空巷充填方案设计 将材料运送至充填地点的方法主要有两种， 一 是通过人力或者器械将浆液运送至需要充填的地 点，二是通过管路将浆液输送至充填区域，根据 22113 工作面的开采技术条件，设计采用管道运输 的方式进行空巷的充填。参考现有的充填工程实践 [4]， 巷道充填工艺方法主要有四种， 包括开放式充 填法、 全袋式充填法、 混合式充填法及分段阻隔充 填法， 根据 22113 工作面空巷情况， 决定采用分段 阻隔充填法， 主要原因为 22113 工作面空巷起伏不 平， 浆液需要注入的高度变化不定， 分段建立止浆 墙非常必要， 不需使用充填袋， 工艺简单， 成本较 低， 其具体原理如图 6 （a ） 所示。为减小空巷对工作 面支架载荷的影响， 过空巷期间工作面调斜， 调斜 角度根据空巷的宽度和长度比确定， 调斜角度最小 值为 arctan （4.4/120） 2.1， 最终确定调斜角度为 3， 具体情况如图 6 （b） 所示。 （a）充填工艺 （b）工作面调斜 图 6工作面充填及调斜方案示意图 4.3应用效果分析 22113 工作面空巷长度为 120m， 空巷影响范围 内为 180 液压支架，工作面过空巷期间监测液 压支架的工作面阻力变化， 过空巷期间， 液压支架 工作阻力与正常情况下无明显差异， 波动范围均未 超出平时的最大和最小值， 说明充填方案完全达到 所需要求， 工作面顺利通过空巷。 现场监测过空巷期间工作面煤壁的片帮量， 整 理得到表 2 所示结果。过空巷期间， 工作面最大片 帮深度为 0.37m，整个工作面片帮长度为 5.4m， 与 正常情况下无明显差异，表明空巷充填效果良好， 充填体对空巷围岩起到了良好的支撑作用。 表 2工作面片帮统计表 5结语 轩岗煤业 22113 工作面回采期间需通过一条与 工作面平行的空巷。依据详细的地质条件， 模拟研 究表明， 空巷不充填条件下， 工作面距空巷 15m 时， 煤柱已丧失其支承能力， 距工作面 10m， 空巷表面 位移量开始迅速增大， 为保证工作面安全通过空巷 必须采取适当的措施， 充填材料强度达到 4MPa， 能 够显著较小空巷的位移。 选择高水材料为注浆材料， （下转第 24 页 ） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 工作面回采距离 /m 最大片帮深度 /m 总片帮长度 /m 片帮范围 / 5300.344.26.3 550 （过空巷）0.375.47.2 5800.303.95.0 21 ChaoXing （上接第 21 页 ） 通过实验室实验确定浆液的水灰比为4 1， 设计具体 的充填工艺和调斜方案， 监测过空巷期间液压支架 工作阻力和煤壁片帮量， 结果表明充填方案完全达 到所需要求， 实现了工作面顺利通过空巷。 参考文献 [1] 王炜. 高水材料充填支柱在大采高工作面过空巷中的应 用[J].煤炭工程,2020,52 （05） 67- 70. [2] 祁航.8809 工作面过空巷覆岩失稳规律及围岩控制技术 研究[J].山东煤炭科技,2020 （04） 55- 57. [3] 杨江波.空巷灌浆充填技术在岳城煤矿 1307 工作面应用 [J].江西煤炭科技,2020 （01） 124- 126. [4] 张鹏鹏. 晶鑫煤业 3123 工作面过空巷注浆充填技术[J]. 煤,2019,28 （11） 47- 49. 作者简介 王伟 （1987-） ， 男， 汉， 山西省应县人， 2011 年毕业于太 原科技大学华科学院， 机械设计制造及其自动化专业， 本科 学士学位， 综采采煤技术， 中级工程师。 （收稿日期 2020- 6- 1） 联到柔性网上， 1- 2 根绳距 1.0m， 2- 3、 3- 4、 4- 5 绳距 1.5m 共铺 5 根。 每条钢丝绳绳头两端伸出工作面至 巷道不少于 4m， 并联到巷道顶网上。若工作面中钢 丝绳需要连接时， 绳头搭接压茬不少于 2m， 并用不 少于 5 个相应型号的绳卡子均匀布置卡紧， 两排钢 丝绳接头不能处于同一支架， 钢丝绳必须拉直与柔 性网联为一体。 4两顺槽超前支护 1）运顺超前支护 距采帮 0.2m打一排单体加强 支护， DJB1200 型一字梁， 单体支设在一字梁中间， 间 距 1.2 米， 巷道使用走向钢带配合钢筋网支护。 2） 回顺超前支护 使用单体配合 4m12 工字钢 支护， 一梁两柱， 间距 1m， 支护到回顺联络巷。如图 2 所示。 图 21809 综采工作面工字钢支护图 5防灭火措施 1）工作面回采距停采线 15m 时，随工作面回 采向刮板输送机电缆槽至架后采空区范围喷洒阻 燃剂 （20CaOH2） ， 每循环喷洒一次， 每次喷洒厚 度不小于 10mm， 确保喷洒煤体全面、 无死角， 喷洒 人员站在上风侧， 下风侧严禁人员作业， 防止 CaCO3 溶液进入眼睛。 2）工作面末采期间， 加强下隅角挡风帘拉设质 量和上隅角隔离墙构筑质量， 减少采空区漏风。每 回采两刀后在工作面回风顺槽隅角施工一道碎矸 袋隔离墙， 墙厚不低于 0.5m， 隔离墙与顶板间隙用 黄泥或马丽散充填严实。 3） 工作面停采后， 在工作面 1809 回顺端头施 工一道碎矸袋隔离墙， 墙厚 1m， 施工完隔离墙后， 对隔离墙及三角区喷浆封堵， 喷浆厚度 200mm。 6经验总结 做好工作面液压支架的检修， 保证液压支架不 窜漏液， 支架接顶有力， 初撑力达到标准要求， 支架 不挤不咬， 间距满足规程要求， 并严格控制工作面 工程质量， 保证工作面达到三直、 一平、 两畅通、 浮 煤净的标准要求。 7结束语 通过工作面末采措施的组织， 为综采工作面设 备撤除工作创造了有利条件， 从结束回采到设备撤 除完毕仅用 19 天，为工作面及采空区的封闭赢得 了主动。 作者简介 张体刚 （1974-） ， 机电工程师， 现为贵州五轮山煤矿机电 环保科副科长， 自参加工作以来一直从事综采掘机电设备管 理工作。 （收稿日期 2020- 2- 6） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 24 ChaoXing