残煤复采工作面充填注浆过空巷技术研究与应用_王绪昇.pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 1工程概况 某矿为兼并重组矿井， 矿井在兼并重组前采用送 巷扩帮式的巷柱式开采方法， 致使存在着大巷的遗留 煤柱。 1301 工作面为复采工作面， 主采 3 煤层， 煤层 均厚 6.60m， 直接顶为砂质泥岩， 均厚 4.66m， 基本顶 为细砂岩， 均厚 8.20m， 工作面设计采高 1.5m， 工作面 在掘进准备期间揭露 35 条空巷，旧采取采区巷道的 宽度一般为 2～3m， 高度一般为 2.5m， 以木支护为主 要的支护方式，现为保证 1301 复采工作面回采期间 的安全，决定采用空巷预充填技术来保证 1301 复采 工作面安全通过空巷区域。 2充填注浆过空巷机理 针对该矿 3 煤层旧采取遗留空巷多、存在大量 冒落区的特点， 决定选用超高水充填材料作为空巷的 主要充填材料， 并对空巷区域采取不完全分层注浆充 填的方式， 在不同层位进行充填作业时应采取不同浓 度的超高水充填材料， 将在采煤机截割高度范围内的 充填体称为截割层， 将位于截割层以上用于充当煤层 假顶的充填体称为承载层，具体 1301 复采工作面回 采前充填注浆结构示意图如图 1 所示。 图 1回采前充填注浆结构示意图 超高水充填材料与破碎围岩间相互胶结形成的 充填体能够整体上提高围岩体的强度， 从松软破碎围 岩体的破坏机理、 浆液加固以及围岩体的力学性能方 面进行分析， 能够大致将松软破碎围岩充填注浆加固 的力学机理大致分为 4 个方面， 基本如下 1 ） 浆液在外力作用下进入到岩体裂隙内后， 会在 一定时间内反应固结， 从而在围岩中形成网络骨架结 构[1-2]， 提升了巷道围岩体的整体性与承载能力。 2 ） 注浆能够改善岩体内弱面的力学性能， 由于浆 液具有很高的黏结性， 当其进入到岩体的裂隙面后 能够有效的提高破裂面的摩擦阻力， 提高岩体的强 度[3-4]。 3 ） 浆液进行围岩裂隙中后会对围岩体形成隔绝 层，阻止空气对岩体的风化作用及水对岩体的软化 作用， 以此保障巷道围岩的力学性能， 实现巷道的长 期稳定。 残煤复采工作面充填注浆过空巷技术研究与应用 王 绪 昇 （山西新景矿煤业有限公司 ，山西 阳泉 045000 ） 摘要 为保证 1301 复采工作面安全顺利通过空巷区域， 采用充填注浆技术对空巷进行处理， 通过 具体分析充填注浆过空巷的机理， 结合工作面的具体情况及材料特性对充填注浆方案进行具体设计， 并对充填注浆后的效果进行检验。 结果表明 1301 复采工作面在充填注浆后， 工作面顺利通过了空巷 区域。 关键词 残煤 ； 复采工作面 ； 过空巷 中图分类号 TD 265文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0154-03 Research and application of filling and grouting through roadway technology in residual coal mining face WANG Xusheng （Shanxi Xinjing Mine Coal Industry Co., Ltd. , Yangquan 045000 ， China ） Abstract In order to ensure the safe and smooth passage of 1301 mining face through the empty roadway area, the empty roadway is pro- cessed by filling grouting technology, the mechanism of filling grouting through the empty roadway is analyzed in detail, the filling grout- ing scheme is designed in combination with the specific situation and material characteristics of the working face, and the effect of filling grouting is tested. The results show that 1301 stope after filling and grouting, the stope passes through the open area smoothly. Key words The residual coal ; Mining face ; Goaflane 154 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 4 ） 根据断裂力学观点可知， 当岩体内存在有软弱 结构面和裂隙时， 此时岩体在受力时会出现应力集中 现象， 应力集中的程度取决于裂隙长度、 裂隙端部半 径及岩体尺寸等。 巷道围岩进行注浆加固后能够将裂 隙附近岩体由二向受力状态转换为三向受力状态， 从 而减小应力集中系数， 改善了岩体的内部结构， 基于 此可知注浆加固能够有效的转变岩体的破坏机制和 提高巷道围岩的强度。 3充填注浆方案 3.1方案设计 充填注浆工艺。 为提高被注区域的整体强度和浆 液的利用率， 保证充填注浆效果， 本次充填注浆施工 采用分层递进多轮注浆的施工方法， 即针对充填承载 层和截割层分别进行注浆作业， 通过采用封堵墙的方 式对不同的注浆区域进行划分， 由外及里的进行多轮 注浆作业， 具体分层注浆形式如图 2 所示， 多轮注浆 形式和注浆顺序如图 3 所示。 针对 1301 工作面空巷的具体情况，对截割层和 充填承载层采用不同浓度的高水充填材料进行充填 注浆作业， ， 对于冒落区在煤壁 1m高的位置处打设 2 个注浆钻孔，一个钻孔打设到截割层 2m 的高度处， 另一个注浆孔打设到承载层 4.5m的高度处，具体钻 孔形式如图 2 所示， 利用冒落区破碎围岩与浆液之间 的胶结作用， 来提升破碎围岩的整体承载能力。 图 2分层注浆示意图 图 3多轮推进注浆示意图 在进行多轮推进注浆作业过程中， 为防止出现跑 浆现象的出现，在 1201 和 1201 巷道的煤壁处设置 2m的封堵墙， 以此在不同区域间形成隔离板， 保证注 浆效果， 具体注浆作业时依据划分的不同注浆区域依 次进行注浆作业， 在注浆过程中应先对首轮注浆区域 进行注浆作业， 在首轮注浆区域注浆作业完成并固结 后在对次轮区域进行注浆作业， 最后进行待注区域的 注浆作业。 3.2充填注浆参数 3.2.1超高水充填材料水灰比 根据分层注浆和分区域注浆的特点， 根据浆液的 试验研究表明当超高水材料的水灰比为 51 时， 此时 浆液的凝结时间较短、流动性差浆液凝固后的强度 高， 故确实选用封堵层的水灰比为 5 1； 对于充填承 载层，其作用主要为降低冒落的矸石对工作面的影 响， 要求其强度大于 2MPa， 据此根据实验室试验确定 承载层超高水材料的水灰比为 61； 对于截割层， 其作 用主要为保证采煤机能够进行连续的割煤作业， 以此 避免支架过空巷时的出现受力不均匀的情况， 基于此 分析得到该区域浆液固结后的强度大于 1.5MPa 即 可， 基于此确定截割层的超高水充填材料的水灰比为 7∶1。 3.2.2注浆压力 注浆压力主要由注浆材料的性能、 渗透范围及围 岩的渗透性等因素确定，在进行封堵层的注浆作业 时， 由于该层厚度仅为 2m， 浆液的扩散半径较小， 故 确定封堵层的注浆压力为 3～4MPa， 对于充填承载层， 由于该层的作用为充当假顶，所需的注浆压力较小， 综合确定承载层的注浆压力为 4.5～6MPa；对于截割 层， 由于其被注体为破碎散落的顶煤， 其堆积的散度 较小，若要保证浆液能够完全注入破碎的煤岩体内， 所需的注浆压力要相对稍大， 基于此确定承载层的注 浆压力为 6～7MPa。 3.2.3单孔注浆量 为保证注浆加固后破碎围岩能够充填密实并充 分固结， 现场注浆时应保证注到不吃浆为止。通过观 察浆液的渗透、 漏出情况来判断注浆孔浆液是否已经 注浆充分， 另外每个注浆孔的浆液消耗量可通过下式 进行计算 QALπR2βλ （1 ） 式中 Q 为注浆钻孔的浆液注入量， m3； L 为钻孔 长度方向加固区域的厚度， m； A 为浆液的消耗系数， 取 1.2～1.5； β 为围岩的裂隙率，取 1～5； R 为浆液 的有效扩散半径， m。 3. 3注浆孔布置 155 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 根据 1301 复采工作面的具体情况，并结合相关 工程经验对 1301 复采工作面封堵层、承载层和截割 层注浆孔参数进行确定 根据封堵层的特点，确定注浆孔的间距为 15m， 在 1301 工作面回风巷、 开切眼内在距离底板 1.2m的 位置处打设注浆钻孔， 钻孔的仰角为 6～12， 钻孔 的间距为 15m，具体封堵层注浆孔的布置形式如图4 （a ） 所示。 针对充填承载层，确定注浆孔的孔距为 13m， 在 确定工作面开切眼高度为 2.64m、 承载层的注浆厚度 为 4.65m的条件下， 设计承载层注浆钻孔在工作面回 风巷和运输巷距离底板 1.5m高的位置处打设，钻孔 与开切眼的轴线成 6～12的仰角布置，钻孔的打 设深度视空顶区域的范围确定， 需将钻孔打设至承载 层顶板 6.65m的位置处， 承载层钻孔的布置形式如图 4 （b ） 所示。 针对截割层， 通过结合该层破碎散落的顶煤特点 与超高水材料浆液的性能确定截割层的注浆厚度为 2m， 注浆孔孔距为 5m， 在工作面运输巷和回风巷距 离底板 1m的高度处打设注浆钻孔， 钻孔与开切眼轴 线成 6～12的仰角布置，钻孔的深度视空巷的具 体情况确定，需将截割层钻孔打设到承载层顶部 2m 以上， 具体截割层的注浆钻孔布置形式如图 4 （c ） 所 示。 （a ）封堵层注浆孔布置示意图 （b）承载层注浆孔布置示意图 （c）截割层注浆孔布置示意图 图 41301 复采工作面充填注浆钻孔布置示意图 3.4效果分析 为对 1301 复采工作面充填注浆效果的效果进行 检验， 通过钻孔窥视、 注浆结实体强度试验和现场观 察的综合方式来验证充填注浆效果。 注浆效果窥视孔共布置 6 个， 具体窥视孔的各项 参数和窥视的注浆效果见表 1。 表 11301 复采工作面充填注浆效果窥视孔参数及结果 通过现场对充填注浆加固体进行单轴抗压试验 得出其强度达到 1.5MPa； 通过对充填注浆后 1301 复 采工作面进行现场观察可知，在回采过程中煤壁完 整， 顶板无冒漏现象， 支架移架顺利， 采煤机回采工作 顺利进行。 4结论 针对 1301 复采工作面空巷的情况，通过对充填 注浆过空巷机理的具体分析， 结合现场具体情况和超 高水材料的性能对充填注浆过空巷的各项参数进行 具体设计，根据注浆效果分析知 1301 复采工作面在 充填注浆后， 工作面顺利通过了空巷区域， 保障了工 作面的安全生产。 参考文献 [1] 刘士奇. 复采工作面过空巷（群） 顶板煤岩结构及控制 [D].太原理工大学,2017. 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