义城煤业3402复采面过空巷充填技术应用.pdf

江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 义城煤业3402复采面过空巷充填技术应用 姬海鱼 （山西阳城阳泰集团义城煤业有限公司，山西阳城048100） 摘要为保障3402复采工作面顺利通过空巷区域，确定工作面空巷区域采用充填开采技术，充填材料采用高水材料，通 过数值模拟确定充填材料的水灰比为0.6∶1，充填体的强度为1 MPa，结合3402复采工作面特征进行充填开采方案的设 计，并在工作面推进过充填区域时进行支架阻力监测与现场观测。 结果表明采用充填开采技术后，通过空巷区域时支架工 作阻力无超限现象，煤壁无大范围片帮现象，充填开采效果显著。 关键词回采面过空巷；充填开采；超高水材料；数值模拟；支架工作阻力 中图分类号TD823.88文献标识码B文章编号1006-2572（2020）02-0186-04 Application of Mining with Filling Technology in Crossing Abandoned Roadway at 3402 Repeated mining Face of Yicheng Coal Industry Co., Ltd. Ji Haiyu Yicheng Coal Industry Co. Ltd., Yangtai Group., Yangcheng, Shanxi 048105） Abstract In order to cross the abandoned roadway area smoothly at 3402repeated mining face，the author introduces the mining with filling technology by high-water filling material with water-cement ratio of 0.61and filling body strength of 1 MPa determined through numerical simulation, which has proved effective in crossing abandoned roadway with no over-limit of support working resistance and no large-scale rib spalling Key words crossing abandoned roadway; mining with filling; high-water material; numerical simulation; working resistance of support 义城煤业四采区3402工作面地面标高559.45～ 697.66m，井下标高463～486.2m，工作面北、 南均为实体煤，东为3400阶段运输巷，西与二级轨 道巷留设24m保安煤柱。 工作面走向长度423m，倾斜 长度149m，工作面开采3煤层，煤层均厚为5.67m，平 均倾角为6，顶板岩层为粉砂岩和细粒砂岩，底板 岩层为泥岩，具体煤层顶底板岩性特征见表1。 工作 面采用综采放顶煤采煤方法，正常回采段采煤高度 为2.7m，采放比为1∶1.1，过构造及空巷特殊区段 时，采煤高调整为2m，循环进尺0.6m。 根据3402工作面的地质资料可知，工作面运输顺 槽前78m、 回风顺槽前91m区域范围内均为实体煤， 运输顺槽78～342m、 回风顺槽91～354m区段约264 m范围内为矿井原巷采巷道以及大巷煤柱， 旧巷沿煤 层中部布置，均为倾向空巷，巷道净高约3m，净宽约 4～5m， 顶板及底板分别留有1.5m顶煤和1.1m底 煤，旧巷内顶板出现大范围垮落冒落。为确保过空巷期 间施工安全，现拟采用空巷充填的开采工艺。 表1 3煤层顶底板岩层特征 顶底板 名称 岩石 名称 厚度/m岩性特征 基本顶细粒砂岩5.33～9.27为灰色，质较坚硬 直接顶粉、细砂岩5.35～6.07 为灰黑色中厚层，钙硅质胶结， 斜层理明显，裂隙不太发育 伪顶炭质泥岩0～0.48 灰黑色薄层状，水平层理十分 发育 底板泥岩 9.06～ 10.30 黑灰色，含有植物根、茎化石及 炭质碎屑，中等坚硬 186 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 2.1充填材料及充填工艺 3402工作面过空巷时采用超高水充填材料进 行充填加固， 超高水充填材料是一种能在高水灰 比条件下快速凝结的特种水泥，具有以下特点 （1）高水灰比下结石率为100； （2）凝结速度快，早期强度高并可调； （3）塑性好，凝结体单轴加压应变达15时，残 余强度能够达到峰值强度的一半以上； （4）凝结体具有微膨胀性； （5）改变水灰比和添加剂成分就能获得不同强 度的凝结体，可满足不同工程的需要； （6）凝结体含水量大，单位体积充填料用量少， 且可实现远距离输送，辅助运输量小。 在工作面回采前，对已揭露的空区、空巷进行 预处理，在空区空巷两端砌筑防漏墙形成封闭空 间，防漏墙高度大于工作面采高。 充填的目的是将 垮落的煤和矸石胶结起来，并达到适宜采煤机截割 的强度，形成假“实体煤”，与现存的实体煤构成整 体。 2.2充填体强度的确定 由于采用超高水材料进行充填作业时，不同水 灰比下充填体的强度表现为不同的特征，且在不同 水灰比下进行充填开采作业时，经济费用会呈现出 较大的差异。 根据试验分析与工程实践结果［1-2］，结 合3402复采工作面的具体特征， 采用FLAC3D建立 长宽高200m100m50m模型，见图1。 固 定模型侧边及底板的位移，在模型上方施加上覆岩 层的自重载荷，并提前在工作面前方150m处开挖 一条宽高5m3m的空巷， 具体煤层顶底板岩 层的各项物理力学参数见表2。 表2 3煤层顶底板岩层物理力学参数 图1数值模拟模型 具体模拟分析不充填作业和充填体强度分别为 0.5MPa（水灰比8∶1）、1MPa（水灰比6∶1）、2MPa （水灰比5∶1）、3MPa（水灰比4∶1）下工作面进行 充填开采作业时， 空巷顶板上方1m应力分布和超 前支承应力分布规律，见图2。 （a）空巷顶板上方1 m应力 （b）超前支承应力峰值 图2不同充填体宽度下空巷顶板1 m应力 及超前支承应力峰值曲线 根据图2（a）可知，空巷顶板上方1m围岩应力 随着充填体强度的增大而逐渐增大，充填体强度在 0.5～1MPa的范围内应力提升幅度较大，当充填体 强度大于1MPa后，随着充填体强度的增大，空巷顶板 上方1m区域应力提升变化幅度逐渐减小，改善围岩 的效果不太明显，这即表明当充填体强度为1MPa时， 已经有效的改善了空巷区域围岩应力的效果。 根据图2（b）可知，工作面超前支承应力峰值随 着充填体强度的增大而逐渐减小，同样充填体强度 由0.5MPa增大到1MPa时，空巷顶底板移近量的 降低幅度较大，由67MPa降低为64MPa，当充填体 强度由1MPa增大为3MPa时，工作面超前支承应 力峰值的变化幅度较小，强度增大2MPa超前支承 应力分支仅降低2MPa，故据此可知充填体强度大 于2MPa时，控制效果相差不明显。 岩性 厚度 /m 密度/ （kg/m3） 泊松比 弹性 模量 /GPa 粘聚力 /MPa 抗拉 强度 /MPa 内摩 擦角 / 泥岩9.423810.18163.81.315 细粒 砂岩 7.325020.13343.52.1224 粉砂岩5.7124790.19273.22.129 炭质 泥岩 0.2423980.15162.80.826 3煤5.6714000.30101.90.617 泥岩9.6824000.20153.21.919 细粒 砂岩 12.024680.18263.41.927 187 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 综合上述分析，当采用充填体强度为1MPa时 进行充填作业便能够满足保障工作面推进通过空 巷区域时围岩的稳定，具体充填体强度为1MPa时， 空巷顶板1m应力分布及超前支承应力峰值分布， 见图3。 （a）倾向剖面 （b）走向剖面 图3充填体强度为1 MPa时围岩应力分布云图 3.1方案设计 （1）注浆充填设计 根据数值模拟结果可知，3402复采工作面采用 的超高水充填材料在水灰比6∶1的条件下凝结7天 以后的强度能达到1MPa，满足工作面回采的使用 要求。3402复采工作面采前注浆的目的是充填工作 面前方空巷，根据已有的探测结果，在顺槽钻孔注 浆，由近及远充填各条空巷，根据实验室试验结果 和现场实践［3-4］，确定超高水材料在水灰比为6∶1时 的扩散半径约为15m，因此浆液可扩散至整个工作 面长度一半左右。 基于上述分析综合确定在进风、回风顺槽布置 充填和搅拌系统，向工作面内的空巷区域进行充填 作业，当空巷顶板的冒落高度不大时，进行充填作 业时，直接在冒落高度内进行全部充填，充分保障 充填体与未冒落岩层结顶严实。 若工作面前方空巷区域冒落高度较大，无法充 填接顶时，充填后形成一定厚度的截割层和充填承 载层，充填承载层以上空间不充填，截割层为复采 工作面采高2m，充填承载层确定为4.5m，总的充 填高度预计为6.5m，见图4。 图4空巷冒落高度较大时采前充填 （2）注浆工艺 注浆工艺流程包括准备、装料、加水、搅拌、注 浆、清洗等过程，见图5。 图5充填工艺流程 在运输巷和回风巷设井下充填搅拌站，配备搅 拌机、注浆泵，按配比要求配置充填材料，将搅拌好 的充填材料用混凝土泵经管道输送到工作面，灌入 封闭好的空间，并随时监测灌浆情况，当膏体充满 空区、空巷时停止充填。 如果工作面前方冒顶区域 走向长度大且冒顶走向与工作面近平行时，如果工 作面平行推进， 可能发生一次揭露冒顶区域过大， 使得工作面上方出现大面积空顶、 瓦斯超限等问 题，严重威胁工作面安全生产。 针对这种情况，从减 小一次揭露冒顶区范围出发，选择工作面调斜通过 冒顶区。 （3）回采过空巷充填区时安全技术措施 ①工作面回采至空巷前方3～5m时，应尽量停 止工作面的放煤作业，降低工作面的采高为2m，保 证液压支架的前柱有500mm的伸缩量，防止出现液 压支架压死［5］。 ②当工作面接近空巷时，易出现片帮、冒顶，应 降低采煤机割煤速度，且割煤前须提前完成支架超 前移架，如果空巷处煤体垮落，必须用坑木将空巷 空顶处填满，支护顶板。 ③工作面回采推进通过空巷区域时，禁止采煤 作业时将机头和机尾区域的煤体同时平行推向空 巷区域，在进入空巷前必须预先将工作面最大限度 地调整为伪斜，进而保障工作面能够逐渐通过空巷 区域。 3.2效果分析 3402工作面采用型号为ZF5300/17/32液压支架， 支架初撑力及工作阻力分别为4362kN， 和5300kN， 在工作面回采推进通过平行空巷时，对工作面液压 支架的工作阻力进行监测作业，根据监测结果得出 支架工作阻力曲线，见图6。 188 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 2222222222222222222222222222 图6工作面距空巷不同距离时支架工作阻力曲线 根据图6可知，工作面在距离空巷区域20m时， 液压支架的工作阻力开始快速增大，当工作面回采至 空巷位置时，支架的工作阻力达到最大值为4986kN， 未超过支架的额定工作阻力，仍存在着5.92的富 裕系数，工作面推进过空巷区域后，支架的工作阻 力又开始逐渐减小，在推过空巷20m的范围内，工 作阻力的下降幅度较大；另外结合现场观测结果可 知，回采期间工作面未发生煤壁大范围的片帮现 象，空巷充填开采效果显著。 根据3402复采工作面地质及空巷条件，确定采 用空巷充填开采技术，使用超高水充填材料，基于 数值模拟确定充填材料的水灰比为6∶1，并基于空 巷具体情况进行充填开采及安全技术措施设计，根 据液压支架工作阻力及现场观测知，工作面过空巷 区域支架工作阻力正常，煤壁无大范围片帮，充填 开采保障了工作面顺利通过空巷区域。 参考文献 ［1］ 李俊堂.工作面过空巷充填开采支护研究［J］.采矿技 术，2019，19（5）16-19. ［2］ 徐青云，宁掌玄，朱润生，等.综放工作面充填过空巷顶板失 稳机理及控顶研究［J］.采矿与安全工程学报，2019，36（3） 505-512. ［3］ 付鑫.榆树坡矿综采面过空巷围岩控制研究［D］.中 国矿业大学，2019. ［4］ 王萌.放顶煤工作面过空巷高水材料充填技术研究 ［J］.煤炭工程，2019，51（3）60-64. ［5］ 曹其嘉，陈勇，宋坤.深部工作面过空巷高水材料充 填技术研究及应用［J］.煤炭技术，2017，36（6）55-57. 作者简介姬海鱼（1975-），男，毕业于大同大学采矿工程 专业，本科学历，工程师，现任职于山西阳城阳泰集团义城 煤业有限公司。 收稿日期2020-02-19编 辑彭呈喜 4.2支护效果分析 对-500m水平东大巷采用“锚杆、金属网、U型 钢拱支架、喷浆、注浆和锚索”的联合支护方案以 后，利用“十字基线法”对巷道围岩变形量进行为期 三个月的监测，监测情况见图4。 从图中可以发现在 监测初期巷道围岩变形量较大，随着监测时间的推 移，巷道围岩变形量减小，且趋于平缓，巷道趋于稳 定状态。 监测数据表明支护效果良好，达到了预期 目标。 图4巷道围岩变形量 1）通过现场调研发现，诸多因素中，围岩强度 较低、节理裂隙发育、地应力的大小、巷道支护方式 及参数的选择、施工质量等因素是-500m水平东大 巷破坏的主要原因。 2）“锚杆、金属网、U型钢拱支架、喷浆、注浆和 锚索”的联合支护方式对-500m水平东大巷的支护 效果良好，为本矿其它巷道支护或类似条件矿井巷 道支护提供一定的借鉴意义。 参考文献 ［1］ 张虎伟.软岩巷道联合支护设计及三维数值模拟研究 ［D］.辽宁工程技术大学，2012. ［2］ 韩志婷.金宝屯煤矿深井高应力软岩巷道支护技术研 究［D］.中国矿业大学，2015. ［3］ 姚维妙.综放回采巷道锚杆锚索互补协同支护技术研 究［J］.能源技术与管理2015（6）86-88. ［4］ 余伟健，王卫军，张农，等.深井煤巷厚层复合顶板整 体变形机制及控制［J］.中国矿业大学学报，2012，41 （5）725-732. ［5］ 马平原，冯涛，余伟健，等.软岩巷道桁架锚索支护技 术的应用［J］.矿业工程研究，2013，28（1）28-33. 作者简介崔小波（1980-），男，山西长治人，助理工程师， 2014年毕业于东北大学， 现任潞安环能上庄煤业有限公司 副总工程师，从事采矿管理工作。 收稿日期2020-02-23编 辑李永华 （上接185页） 189