晋北煤业5-103工作面走向空巷充填技术应用研究_吴天阳.pdf

晋北煤业 5- 103 工作面走向空巷充填技术应用研究 吴 天 阳 （霍州煤电集团晋北煤业公司 ，山西 静乐 035100 ） 摘要 以晋北煤业 5- 103 工作面过空巷为研究背景， 经过对工作面过空巷期间充填体作用机理及参 数的确定， 进行了水灰比值为 61 的高水材料充填作业， 通过对支架工作阻力和窥视孔效果分析， 高 水充填作业对巷道围岩变形和回采工作的顺利进行提供了保障。 关键词 工作面过空巷 ； 高水材料充填 ； 支架工作阻力 ； 窥视孔 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 06- 0177- 03 Study on the application of goaf filling technology for 5-103 working face in jinbei coal industry WU Tianyang （Huozhou coal power group jinbei coal industrycompany， Jingle 035100 ， China ） Abstract taking Shanxi Province coal 5- 103 working face through alley as the research background, after filling mechanism during the course ofa working face through alley and determination ofparameters for the water cement ratio of61 high water material packing operation, by analyzing the effect of support working resistance and peephole, high water filling operation on the progress of the surrounding rock deation ofroadwayand stope. Key words workingface through emptylane ; High water material filling; Support workingresistance ; peephole 0引言 在煤炭的开采过程中， 工作面过空巷时巷道围 岩的变形一直是难题。 当工作面过空巷时， 因为超前 支承压力的作用， 非常容易导致巷道顶板冒落， 当顶 板较为坚硬时，常常因为受力集中导致上覆岩层断 裂， 随着工作面的推进， 顶板断裂现象愈加严重， 有 可能导致大面积的顶板下沉问题， 影响开采的顺利 进行。分析其原因， 主要是因为空巷支撑力较小， 在 工作面长时间的推进过程中， 空巷受力集中所以导 致巷道的变形 [1-5]。晋北煤业 5- 103 工作面也是如 此，为了解决工作面过空巷时巷道变形严重的问 题， 进行了高水充填作业， 收到了良好的效果。 1试验工作面生产地质条件 晋北煤业 5- 103 工作面位于一采区， 东北部与 一采区回风、 皮带、 轨道巷相邻； 东南部与井田边界 相邻； 西南部与原牛泥煤矿 2005- 2006 年采空区相 邻； 西北部以采区边界为界； 5- 103 工作面地面标高 为 1340m1510m， 井下标高为 1335m1377m。 采区内煤层性质稳定， 根据地质钻孔资料及巷 道揭露情况可知 工作面煤 （岩） 层赋存相对稳定， 区 域 内 断 裂 构 造 不 发 育 。 5 上 煤 层 厚 度 为 3.36.9m， 平均为 5.1m。工作面煤层为 V 型向斜构 造，中间低两边高，煤层走向为 N343S，倾向为 EN253， 煤层倾角为 517。 在 5- 103 工作面回采的过程中， 需经过与工作 面走向平行的空巷,空巷为老巷， 与通风大巷平行。 空巷断面积约为 6m2， 宽度为 4.2m， 高度为 1.5m， 空 巷巷道采用锚杆锚索支护方案，根据现场经验可 知， 工作面推进至空巷巷道时， 巷道内锚杆锚索出 现断裂现象， 围岩变形严重， 严重威胁到生产的进 行， 为此必须采取相应的措施维持巷道的稳定性。 2工作面过空巷期间充填体作用机理及参 数确定 为了避免工作面过空巷时发生液压支架压死、 顶板下沉严重的问题，采用高水材料进行充填作 业， 高水材料是一种特种水泥， 具有凝结速度快、 强 度大等优点。利用高水材料进行充填作业后， 充填 体对巷道的支撑作用减少了巷道顶板的下沉量， 保 证了工作面回采的安全性。 因为空巷顶板的破坏并不是一个突变的过程， 而是力学渐进所致， 未进行充填支护时， 受采动影 响， 顶板岩层由最初直接顶的弯曲下沉转变为直接 顶、 老顶离层， 此时力学关系式满足下列条件 γh1q1L14 384E1J1 ≤ ΣhγL14 384E2J2 （1） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 177 ChaoXing 式中 q1老顶承载为， 单位 kN； γh1为老顶单位 长度下承载， 单位 kN； E1、 E2、 J1、 J2分别为老顶、 直接 顶的弹性模量和惯性矩， 单位分别为 MPa、 kg m2； h1 为老顶的厚度， 单位 m； Σh 为直接顶的厚度， 单位 m； L1为初次垮落步距， 单位 m。 通过高水材料充填后， 充填体提供的承载力为 q2， 充填支撑作用下， 直接顶和老顶力学关系式满足 下列条件 γh1q1- q2 E1J1 ≤ Σhγ E2J2 （2） 化简公式 （2） 可得直接顶和老顶不发生离层的 条件是 q2≥γh1q1- ΣhγE1J1 E2J2 ， 即保证充填体强度 大于 q2即可，根据计算，得到充填体强度需大于 2MPa。 不同水灰比下，高水材料的强度值存在差异， 图 1 为不同水灰比值下充填体抗压强度随时间的 变化曲线， 当水灰比值为 111 时 （水体积为 97％） ， 高水材料在三轴受力状态下抗压强度可达 到 0.5MPa； 当水灰比值为 81 时 （水体积为 96％） ， 高 水材料在三轴受力状态下抗压强度可达到 1MPa； 当水灰比值为 61 时 （水体积为 95％） ， 高水材料在 三轴受力状态下抗压强度可达到 2MPa；当水灰比 值为 51 时 （水体积为 94％） ， 高水材料在三轴受力 状态下抗压强度可达 3MPa； 随着水灰比值的减少， 高水材料的强度值越大。考虑到高水材料成本较 高， 满足充填强度即可， 因此选择水灰比值为 61 进 行高水材料充填作业。 图 1不同水灰比值下充填体抗压强度随时间的变化曲线 3工业试验 3.1充填及实施方案 根据 5- 103 工作面实际地质状况， 将工作面以 及充填区域划分为 8 个区段逐个进行填充作业。在 填充作业初期，先在空巷两端设置临时的密闭墙， 临 时密闭墙设定完成后，每隔 800mm的间隙设置一个 单体液压支架，为充填体充填空巷留出足够的空间。 在前三段密闭墙上通过钻孔使其形成注浆充填孔。 在 第一段区域充填完成后，为了保证生产的安全进行， 在充填区域安装通风机保证足够的通风量， 逐段进行 充填作业， 直至 8 个区段都充填完成。 在充填作业时，选用两台充填泵进行充填作业， 一台用于工作， 另外一台备用。 注浆工艺较为复杂， 主 要包括浆液的输送、 配比以及清理等工序。将搅拌桶 安装在距离运输轨道较近的位置， 既有利于材料的输 送， 又便于工人进行物料的搬运， 在注浆过程中， 共设 置四台搅拌桶，每个搅拌桶中可以容纳 1.5m3 的浆 液，每个搅拌桶外管都与 32mm 的高压及胶管相连 接， 保证高压胶管有足够的长度。因为注浆过程时间 较长， 为了避免注浆材料受潮， 通常在巷道底部铺设 一层木板， 可以有效防止注浆材料变潮变硬。在搅拌 桶的另外一侧需连接约 3 寸长的供水管线。 充填设备 图如图 2 所示。 （a） 注浆泵（b） 搅拌桶 图 2注浆设备图 3.2注浆效果观测 注浆效果的检测主要包括矿压监测和窥视孔分 析两部分， 对于矿压的检测， 本文选取的是注浆区域 2 区的 30、 32、 34 液压支架进行观测， 得到图 3 所 示的上测站液压支架工作阻力变化图以及图 4 所示 的下测站液压支架工作阻力变化图。从图中可以看 出， 随着工作面推进至空巷 2 段时， 上测站的 32 液 压支架相较其它液压支架的工作阻力增加 了 130kN， 30 与 34 支架之间的工作阻力差值约为 50kN。在下测站区域， 三个支架之间的工作阻力差值 都维持在 50kN 左右。在工作面推进至 2 段区域时， 巷道顶板的压力发生变化使得支架的阻力增加， 因为 支架工作阻力差值都在 200kN 以下，因此支架可以 起到很好的支撑作用。在超前支承压力的作用下， 巷 道受力集中容易变形， 当进行充填作业后， 充填体以 及液压支架工作支护使得巷道具有一定的承载能 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 178 ChaoXing 力， 较小的变形量并不影响正常的煤炭开采。 图 3上测站液压支架工作阻力变化图 图 4下测站液压支架工作阻力变化图 图 5 为正常阶段与进入空巷时液压支架工作 阻力变化对比图， 从图中可以看出， 当回采工作面 未进入空巷前，支架的平均阻力值约为 2765kN， 不 同支架的工作阻力差值均小于 50kN， 当工作面过空 巷时， 支架的平均工作阻力约为 2700kN， 不同支架 的工作阻力差值均小于 50kN，对于 32 支架而言， 在进入空巷时， 支架的工作阻力达到 2785kN， 比未 进入空巷时的工作阻力大 90kN。因此可见， 充填作 业后， 巷道依旧会有一定程度的下沉， 从液压支架 的工作阻力差值来看， 巷道的变形并不大。由此可 见，通过充填作业后的空巷具有一定的承载能力， 能满足工作面的正常推进。 图 5正常阶段与进入空巷时液压支架工作阻力 变化对比图 窥视孔分析通过 5- 103 工作面 4 个窥视孔和 巷道距离开切眼 20m 和 30m 位置的窥视孔进行观 测， 得到表 1 所示的结果。 表 1注浆效果窥视孔 根据对窥视孔效果和现场观测， 高水充填材料 对顶板起到直接的支撑作用， 控制了顶板离层现象 的发生， 未影响工作面正常回采的进行， 证明了充 填作业的成功性。 4结论 本文针对 5- 103 工作面推进至空巷巷道时， 巷 道内锚杆锚索出现断裂现象， 围岩变形严重的问题 进行了充填体作用机理及参数确定， 选择水灰比值 为 61 进行高水材料充填作业，通过对支架工作阻 力和窥视孔效果分析，得到 61 水灰比值高水充填 作业对巷道顶板起到明显的支撑作用， 保证回采工 作的顺利进行。 参考文献 [1] 任东元.综采工作面过空巷连续采煤的可行性探讨[J].山 西煤炭,2000,0224- 26. 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