馬金奎 鄭立永

（北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

我國(guó)許多礦區(qū)井下存在大量的老巷和房采采空區(qū)。在回采工作面正常推進(jìn)過(guò)程中，工作面經(jīng)過(guò)遺留老巷、房采采空區(qū)容易發(fā)生支架壓死、倒架等事故，尤其以山西平朔、神東礦區(qū)等地區(qū)為主，不僅對(duì)井下人員生命造成威脅，也給回采工作增加很大難度，嚴(yán)重制約礦井安全生產(chǎn)[1]。采煤工作面如何通過(guò)空巷、老空區(qū)一直是生產(chǎn)技術(shù)難題，目前傳統(tǒng)防治手段主要是木垛支護(hù)、單體支柱支護(hù)和錨桿錨索等支護(hù)方式[2]。謝生榮等[3]通過(guò)分析綜放工作面過(guò)空巷時(shí)支架-圍巖穩(wěn)定性，提出在過(guò)空巷過(guò)程中采取停采等壓、加強(qiáng)支護(hù)、注漿固結(jié)等措施。徐青云等[4]揭示空巷頂板穩(wěn)定機(jī)理，確定頂板破斷產(chǎn)生滑落失穩(wěn)是造成壓架的主要原因，進(jìn)而采取最優(yōu)高水材料充填穩(wěn)定空巷頂板。

本文以五家溝煤礦15304綜放面為工程背景，在工作面主運(yùn)巷道掘進(jìn)過(guò)程中，揭露并探查老巷內(nèi)部存在漏頂面積較大的房采采空區(qū)，這種未支護(hù)以及支護(hù)不足的老巷、房采采空區(qū)給綜放回采工作增加很多困難。本文依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行研究，研究結(jié)果為此類(lèi)問(wèn)題處理提供參考。

1 工作面概況

五家溝煤礦15304工作面布置在5-1號(hào)煤層，埋深114 m，煤層平均傾角2°，煤層平均厚度7.2 m，采用綜采放頂煤工藝進(jìn)行回采。工作面傾向長(zhǎng)度為240 m，走向長(zhǎng)度為1136 m。工作面地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，煤層上方直接頂為中砂巖，平均厚度4 m，基本頂為粗砂巖，平均厚度17 m。

工作面北部為15302采空區(qū)，東部為原高山采空區(qū)，南部為15306設(shè)計(jì)工作面，西部為530采區(qū)三條大巷，地表多為農(nóng)田荒山及荒地，地面有封閉的原高山煤礦主井、風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)廢棄井筒。在15304主、輔運(yùn)順槽掘進(jìn)過(guò)程中，經(jīng)探測(cè)發(fā)現(xiàn)工作面存在兩處老巷群，圖1中標(biāo)注區(qū)域?yàn)榈V井遺留巷道及采空區(qū)。

圖1 工作面布置示意圖

經(jīng)探查揭露的老巷群為整合前煤礦所遺留，采用房柱式開(kāi)采方法致工作面內(nèi)部存在多次連續(xù)房采采空區(qū)及聯(lián)巷。本文主要研究圖1標(biāo)注所示區(qū)域，區(qū)域內(nèi)共有房采采空區(qū)5個(gè)。1、2、4號(hào)房采采空區(qū)為29.33 m×8.16 m×8 m（長(zhǎng)×寬×高）；3、5號(hào)房采采空區(qū)為23.46 m×6 m×8 m；遺留老巷共長(zhǎng)900 m，巷寬3.5 m，巷高3 m。

2 空巷頂板失穩(wěn)機(jī)理及充填原理

2.1 上覆巖層活動(dòng)規(guī)律及頂板失穩(wěn)機(jī)理

當(dāng)大采高工作面前方存在空巷時(shí)，工作面易發(fā)生切頂壓架事故。單獨(dú)研究老巷群的部分，900 m空巷基本為走向空巷，其高跨比[5]是影響圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。工作面推進(jìn)過(guò)程中，在采動(dòng)應(yīng)力影響下，原本的圍巖平衡狀態(tài)被破壞，會(huì)經(jīng)歷巷道初始變形、頂板離層變形、幫部變形及頂板垮落破壞，如圖2。

圖2 空巷變形破壞過(guò)程

如圖3所示，當(dāng)工作面前方距離房采采空區(qū)越近時(shí)，煤柱寬度減小，而房采采空區(qū)內(nèi)部無(wú)支護(hù)，無(wú)法穩(wěn)定控制頂板，裂隙由房采采空區(qū)上方導(dǎo)通至基本頂，煤柱在頂板及載荷的作用下發(fā)生失穩(wěn)，基本頂提前破斷，關(guān)鍵塊的長(zhǎng)度增加，形成鉸接梁結(jié)構(gòu)，致其發(fā)生滑落失穩(wěn)，如圖4所示。工作面支架承受載荷變大，支承應(yīng)力最大值位于工作面上方，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支架初撐力。

圖3 正常推進(jìn)頂板滯后破斷示意

圖4 頂板超前破斷工作面壓架示意

2.2 空巷充填加固原理

此方法主要步驟是先將鉆孔從地表打孔至采空區(qū)，通過(guò)注漿泵將水泥、粉煤灰混合漿液沿預(yù)先埋置好的注漿管道注入房采采空區(qū)，混合漿液充分固化后會(huì)逐漸形成結(jié)石體，并與采空區(qū)圍巖及頂?shù)装宄浞纸佑|，以抑制采空區(qū)上覆巖層的移動(dòng)。

3 方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

針對(duì)本礦井的老巷及房采采空區(qū)的特點(diǎn)，主要建立以下三種技術(shù)方案，具體措施見(jiàn)表1。

表1 老巷及房采采空區(qū)加固方案

從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素方面對(duì)三種方案進(jìn)行對(duì)比分析。

從技術(shù)角度分析，由于房采采空區(qū)漏頂面積大，高度高，施工難度大，支護(hù)困難，并且房采采空區(qū)內(nèi)部無(wú)支護(hù)，進(jìn)入內(nèi)部支護(hù)危險(xiǎn)系數(shù)大，方案一中采取的支護(hù)措施難以完成。方案二采取全部充填的加固方式，由于房采采空區(qū)內(nèi)部垮落高度不一致，老巷高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于房采采空區(qū)，充填過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行觀測(cè)，不能確定內(nèi)部是否充填完全，且管路出現(xiàn)故障不利于維護(hù)，由于房采采空區(qū)眾多，高度不一，需要采取地面打孔直接注漿的加固方式。方案三對(duì)老巷采取聯(lián)合支護(hù)方式，支護(hù)完善后，便于布置管路、觀察充填情況以及后期維護(hù)管路。因此方案二、三的加固方式在技術(shù)角度可行。

通過(guò)比對(duì)分析方案二、方案三。材料費(fèi)主要包括充填材料及支護(hù)材料，人工費(fèi)包括人工支護(hù)及材料運(yùn)輸。由上文可知房采采空區(qū)體積約15 751 m3，老巷體積約為7875 m3。充填單價(jià)為148元/m3，此外還有施工注漿孔、取水孔及封堵墻等費(fèi)用。具體費(fèi)用對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 老巷及房采采空區(qū)加固方案經(jīng)濟(jì)效益分析

由表2可知，在技術(shù)可行的情況下方案三比方案二能夠節(jié)省約15萬(wàn)元，因此加固方案選擇方案三。

4 充填材料配比研究

注漿材料的選擇是整個(gè)注漿技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)充填后整個(gè)結(jié)石體穩(wěn)定性有根本影響作用。主要是通過(guò)分析水泥、粉煤灰等各組分材料對(duì)混合漿液性能的影響，通過(guò)各種材料不同配比試驗(yàn)，研究漿液粘度、結(jié)石率對(duì)強(qiáng)度的影響。注漿材料：水泥采用P.032.5硅酸鹽水泥；粉煤灰采用電廠出廠的干灰；試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

本次試驗(yàn)各材料配比比例均為重量比，水泥和粉煤灰用量分別固定為固體材料質(zhì)量的30%和70%，水灰比取1:0.8、1:1.2、1:1.5。漿液配比完成并靜置28 d后，進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 注漿材料不同配比試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)水泥-粉煤灰漿液各項(xiàng)物理特性受水灰比的影響較大。水灰比在1:0.8時(shí)，漿液黏度小，結(jié)石率低，強(qiáng)度也較??；水灰比達(dá)到1:1.5時(shí)，漿液的粘度明顯增大，流動(dòng)性降低，但強(qiáng)度明顯增加。水灰比越大漿液粘度越低，漿液具有良好的流動(dòng)性，使?jié){液更容易泵送以及在裂隙中擴(kuò)散；水灰比越小漿液結(jié)石率提高，強(qiáng)度隨水灰比減小而增大。

5 現(xiàn)場(chǎng)加固方案實(shí)施

經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，最佳的加固方案為方案三：老巷采用錨桿-錨索-金屬網(wǎng)-鋼筋梯-W鋼帶進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，房采采空區(qū)采用充填粉煤灰和水泥混合物全充填注漿方式進(jìn)行加固。

5.1 老巷加固方案

老巷內(nèi)頂板及幫部比較破碎，頂板支護(hù)采用錨桿-錨索-金屬網(wǎng)-鋼筋梯-W鋼帶聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距800 mm×1000 mm，每排5根，錨索間排距2000 mm×3000 mm，幫部支護(hù)采用錨桿-金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，間排距1200 mm×1000 mm，距頂300 mm，每幫2根錨桿。

5.2 注漿管路布置

通過(guò)地面鉆孔向井下輔運(yùn)順槽內(nèi)施工2個(gè)注漿孔，采用地面集中供漿，經(jīng)井下順槽及老巷內(nèi)布置2趟注漿管，注漿管路經(jīng)主運(yùn)巷道鋪設(shè)至與老巷內(nèi)部房采采空區(qū)閉墻外，再與PVC管連接吊掛在每個(gè)房采采空區(qū)最高點(diǎn)，將漿液輸送至房采采空區(qū)進(jìn)行注漿填充。注漿管路具體布置方式及充擋墻位置如圖5所示，圖中陰影線表示注漿管路鋪設(shè)，加粗邊界為充填擋墻位置。

圖5 注漿管布置及充填擋墻位置示意圖

5.3 注漿充填方案實(shí)施

充填擋墻構(gòu)筑完成后，為保證充填效果及充填體與煤柱煤體充分膠結(jié)，提高漿液的利用率，房采采空區(qū)內(nèi)部充填采用分層注漿充填。分層注漿充填保證下分層漿液凝固后滿足工作面安全生產(chǎn)要求，上分層滿足接頂需求，工作面推進(jìn)過(guò)程中，頂板不會(huì)大面積垮落，不會(huì)威脅工作面生產(chǎn)。

房采采空區(qū)內(nèi)部充填采取分層充填，根據(jù)層位對(duì)充填后粉煤灰-煤巖結(jié)實(shí)體的物理力學(xué)性能要求，即充填的每層漿液采用不同的水灰比。將房采采空區(qū)分為上下兩層，下層為壓力承載層，上層為接頂膠結(jié)層。兩分層充填采取不同的水灰比，壓力承載層水灰比采用1:1.5，接頂膠結(jié)層水灰比采用1:（1.0～1.2）。

6 結(jié)論

（1）理論研究了空巷上覆巖層活動(dòng)規(guī)律和頂板失穩(wěn)破斷機(jī)理，分析了空巷注漿加固原理，并提出了針對(duì)房采采空區(qū)的分層注漿充填加固方案。

（2）對(duì)比分析不同方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性，確定加固方案：老巷采用錨桿-錨索-金屬網(wǎng)-鋼筋梯-W鋼帶聯(lián)合支護(hù)，房采采空區(qū)采用粉煤灰-水泥材料進(jìn)行分區(qū)域、分層充填。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施注漿充填加固方案，房采采空區(qū)充填下分層灰比為1:1.5，上分層水灰比為1:（1.0～1.2）。工程實(shí)施中取得良好效果，保證了工作面過(guò)空巷及房采采空區(qū)期間頂板及圍巖的穩(wěn)定性。