高水充填技术在综采工作面过空巷中的应用.pdf

2023 年 8 月2023 年第 8 期煤矿实际开采过程中经常会遇到空巷的情况，这些空巷主要是开采设计变更或无序开采而留下的废弃巷道，根据工作面与空巷相对空间位置可分为本层、上层和下层 3 种不同的空巷。由于这些空巷废弃已久，原有的围岩支护已失去作用，当综采工作面过空巷时容易出现巷道变形、顶板结构发生变化、煤壁片帮等问题，甚至造成坍塌事故。另外，部分废弃的空巷还存在瓦斯、积水等，当工作面过空巷时极易导致通风设施出现故障，甚至出现短路的情况，不利于后续工作的进行，进而降低了煤炭开采的效率。因此，煤矿企业需要加强对空巷进行加固，确保综采工作面能够安全通过，促进采煤工作安全且高效地进行。目前常用的过空巷技术主要有补打锚索、架设木垛、支护单体支柱等，这些加固技术虽可实现对空巷围岩的支护，但通常存在人员成本投入过大、安全性较低、耗时久且效率低下等问题1-2。近年来，随着充填工艺的快速发展，高水材料充填过空巷技术被很多煤矿企业应用于采煤工作中，为工作面过空巷提供了很大的安全保障。1空巷顶板破坏类型空巷顶板在采掘活动和三向不等地应力的共同影响下，会出现不同程度的破坏且破坏类型也有所不同。通常情况下，空巷顶板常见的破坏类型有 4 种：1)顶板弯曲下沉、两帮移近型破坏，这种类型的破坏主要是由两侧均匀受压引起的，如图 1(a)所示；2)顶板弯曲变形、空巷侧帮内缩型破坏，这种类型的破坏是因一侧受到较大压力而引起的，如图 1(b)所示；3)顶板剧烈弯曲下沉型破坏，这种类型的破坏主要是由顶板压力较大引起的，如图 1(c)所示；4)底板鼓起型破坏，这种破坏主要是由底板压力过大引起的，如图 1(d)所示。2工作面过空巷顶板覆岩活动及顶板断裂分析2.1工作面过空巷顶板覆岩活动分析通常情况下，空巷形成的同时周围的应力也会重新收稿日期：2022-12-20作者简介：杨维纲袁 1991 年生袁 男袁 山西平遥人袁 助理工程师袁 主要从事煤矿开采技术方面的工作遥高水充填技术在综采工作面过空巷中的应用杨维纲（山西介休义棠倡源煤业有限公司，山西 介休 032000）摘要：煤矿开采过程中经常会遇到空巷袁 而这些空巷的存在会给煤矿开采带来很大的安全隐患袁 例如工作面过空巷时可能出现巷道变形尧 顶板冒落尧 煤壁片帮等问题袁 甚至造成坍塌事故袁 严重影响煤矿的生产效率和质量袁 因此袁 煤矿企业需要采取一定的措施来对巷道进行加固袁 为工作面顺利通过空巷提供有力的条件遥 主要对煤矿空巷顶板破坏类型尧工作面过空巷顶板覆岩活动及顶板断裂进行了分析袁 同时提出了高水充填技术袁 并对该技术的材料选择尧 充填工艺等展开了详细的阐述袁 为煤矿综采工作面快速过空巷提供了一定的参考遥关键词：高水充填技术曰 综采工作面曰 过空巷中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)08-0171-03Technoloty Application of Filling with High-water Material in Passing throughGoaf Roadways of Fully Mechanized Mining FaceYANG Weigang(Jiexiu Yitang Changyuan Coal Industry Co.,Ltd.of Shanxi,Jiexiu 032000,Shanxi,China)Abstract:In the process of coal mining,goaf roadways are often encountered,the existence of which will bring great safety risksto coal mining.For example,when the working face is passing through goaf roadways,there may be problems such as roadwaydeformation,roof falling,coal wall sheet,etc.,and even cause collapse accidents,which seriously affect the production efficiencyand quality of coal mines.Therefore,coal mining enterprises need to take certain measures to strengthen the roadway to providepowerful conditions for the working face to pass through the goaf roadway smoothly.The type of roof damage of coal mine goafroadways,and the roof overburden activity and roof fracture of working face in passing through goaf roadways were mainlyanalyzed,the technology of filling with high-water material was put forward,and the material selection and filling process of thetechnology were expounded in detail,which can provide certain reference for coal mine fully mechanized mining face passingthrough goaf roadways rapidly.Key words:technology of filling with high-water material;fully mechanized mining face;passing through goaf roadway（总第 215 期）实践运用1712023 年第 8 期2023 年 8 月图 3基本顶断裂位置与空巷相对位置关系图分布，并在空巷左右的煤岩内形成一定的侧向支承压力。随着工作面的不断推进，工作面超前支承压力与侧向支承压力会相互作用，使得煤柱两边塑性区的深度不断增大，且深度与工作面和空巷之间的煤柱宽度成反比，即工作面和空巷间的煤柱宽度越小，其煤柱两侧塑性区深度就越大。当空巷与基本顶断裂位置距离超过正常来压步距时就会发生断裂，会对空巷围岩造成一定的影响，并且断裂的位置不同，造成的影响也不同。一般情况下，当空巷与基本顶断裂位置距离大于或等于 2 倍来压步距时，煤柱宽度相对较大，工作面超前支承压力对空巷围岩不会造成太大的影响；但是当空巷与基本顶断裂位置距离小于 2 倍来压步距时，工作面与空巷间煤柱宽度较小，而此时煤柱两侧塑性区深度过大，就会导致煤柱的承载能力不断下降，使得顶板出现下沉现象，进而导致工作面上方重要的砌体结构有滑落的情况出现，甚至出现空巷冒顶、支架压死等事故3-4。因此，针对空巷的问题，要尽早对空巷进行充填，减少煤矿开采过程中存在的安全隐患。图 1空巷顶板破坏类型图2.2工作面过空巷顶板断裂分析围岩应力在空巷掘进支护完成后会重新回归平衡，但是工作面开采引起的超前支承应力加快了围岩破坏的速度，导致空巷附近的支架阻力太大，使得顶板下沉量大幅度增加，极大程度增加了顶板控制的难度。研究表明，通常情况下空巷顶板变形破坏过程主要经历 4 个阶段：围岩初始变形顶板岩层弯曲离层顶板岩层断裂破坏顶板岩层垮落破坏，具体过程如图 2所示。空巷顶板变形破坏是一个渐变的过程，最初对巷道进行掘进时会给围岩造成一定的变形，并且这种变形是难以控制的，但在后续过程中可采取有效的措施减缓顶板的变形。如果在还未发现顶板出现离层时就采取相应的措施，可有效避免顶板出现离层的情况；如果顶板已经出现离层，可对顶板岩层进行强化，避免顶板岩层出现断裂，甚至垮落破坏5。同时，工作面向空巷推进的过程中，超前支承压力可能会使煤柱出现失稳的情况，进而增大了工作面上方基本顶悬空的长度，极易导致基本顶突然发生断裂，并且空巷的稳定性会因基本顶断裂位置的不同而不同，基本顶断裂位置与空巷相对位置关系如图 3 所示。3高水充填技术的应用在煤矿实际采掘中经常会遇到空巷，而这些空巷由于年久失修，围岩逐渐弱化，极易导致空巷顶板出现下沉等现象，严重时甚至导致上覆岩层失稳，进而使得综采工作面出现坍塌的情况，严重影响了煤矿采掘的效率。因此，综采工作面在过空巷时需要选择合图 2空巷顶板变形破坏过程图初始空巷轮廓线初始空巷轮廓线变形后空巷轮廓线变形后空巷轮廓线初始空巷轮廓线变形后空巷轮廓线变形后空巷轮廓线(a)两侧受压(b)一侧受压(c)顶板受压(d)底板受压(a)初始变形(b)弯曲离层(c)断裂破坏(d)垮落破坏块体 C块体 C块体 B块体 C块体 B块体 B块体 A块体 A块体A直接顶直接顶直接顶采空区采空区采空区煤柱 空巷 实体煤煤柱 空巷 实体煤煤柱 空巷 实体煤(a)煤柱上方(b)空巷上方(c)实体煤上方1722023 年 8 月2023 年第 8 期图 4空巷充填工艺图适的过空巷技术，确保综采工作面能够顺利通过空巷。常见的过空巷技术主要有补打锚索、架设木垛、充填支护技术等，与其他技术相比，充填支护技术支撑能力强，而且采煤机可以直接切割。该技术主要是通过对空巷进行注浆实现对空巷顶板的加固，确保工作面可顺利通过空巷。但是在选择充填材料时，需综合考虑材料的充填效果、成本、用量等。3.1充填材料的选择通常情况下，综采工作面在过空巷时会选择流动性强、黏结度低、凝固度较高的材料对空巷进行充填。现阶段，矿井的充填材料有很多，如化学材料、水泥砂浆及高水材料等。但化学材料在注浆时极易产生有毒有害气体，并且成本投入较高；水泥砂浆凝固时间过长、结石率低，并且在注浆时会有大量水析出；而高水材料不会产生有毒有害物质、成本较低，同时还具有很好的渗透性、流动性。因此，对充填材料进行选择时，高水充填材料是一种很好的选择。高水材料包含两种材料，分别为甲材料和乙材料，其中，甲材料的主要成分有碳酸钙、碳酸钠、硫酸钙、聚丙烯酰胺等，乙材料的主要成分有硫酸钙、氧化钙、氯化钙、偏铝酸盐等。如果将两种材料分别与水混合，通常在1 天内都不会出现凝结的情况，但是如果将甲材料与乙材料混合在一起，其凝固的速度将会变快，并且强度极高。另外，高水充填材料的水灰比会直接影响空巷支护强度，因此在使用时需要结合现场的实际情况对水灰比进行调整，确保其抗压强度尽可能地达到最大。3.2充填工艺对空巷进行充填时需要运送充填材料，其中运输的方式有两种，一种是通过机械设备或人工将充填材料运送到充填位置，另一种是通过专用充填泵进行输送。相比于前者，后者即泵送方式具有很多优势，如效率高、安全性好等，因此，通常采用泵送方式来实现对高水材料的运输。在充填时，连接好泵和管路后，首先需要试泵，查看泵是否可以正常运转，当所有检查准备工作做完后，就可将两个搅拌桶与泵相连，然后通过各自的管路将甲、乙浆液输送到所需充填的位置，当甲、乙两种浆液在充填点混合后就会快速凝固硬化。图 4 为空巷充填工艺图。在具体操作过程中还有很多细节要做到位，具体如下：1)充填泵和充填点之间的距离尽可能保持最小。2)由于高水材料的流动性较好，为了避免在充填时有泄漏，通常利用木支柱或者单体液压支柱制作封闭墙。3)在充填时，需先将等量的甲、乙两种材料分别在两个搅拌桶内搅拌均匀，然后再通过泵输送的方式送至混合器混合。4)为了使充填效果达到最佳，提高充填材料的抗压强度，通常会采用分段充填法。该方法主要是根据巷道施工的具体情况、注浆泵以及注浆的量在巷道内每隔一段距离施工一个封闭墙，然后在封闭墙内注入充填材料。5)注意控制好水灰比，并在充填时必须使注浆材料充满整个充填区域，且与顶板相连6-8。3.3高水充填技术的优势高水充填技术的优势主要有以下几点：1)凝结速度快、强度高。实践表明，在采用高水材料进行充填时，两种材料单独加水时，在 1 天内不会出现凝结的情况，但将两种材料混合后会快速凝结硬化，且强度较高。另外，还可以通过改变水和外加剂的比例来实现强度的变化，水灰比越小，其抗压强度越高。2)高水材料具有一定的塑性，用高水充填材料对所有的空间进行充填，可实现对巷道顶板的支护加固，避免巷道顶板出现下沉、冒顶等，使工作面能够快速地通过空巷。3)高水充填可实现自行修复。在充填时，如果部分固结体遭到破坏，可以用水进行再次胶结，避免工作面在过空巷时巷道出现变形。4)采用高水充填技术可满足采煤机截割的要求，为工作面快速通过空巷提供一定的基础。4结束语在煤矿开采过程中，综采工作面过空巷是煤矿企业需要重点解决的问题，如果在采煤过程中遇到空巷，但未采取措施来干预空巷的变形，就会导致工作面过空巷时出现冒顶、煤壁片帮等问题，对开采造成不利的影响，甚至出现坍塌，严重威胁到工作人员的人身安全。检修卸料准备搅拌桶加水开动搅拌机搅拌桶加料加水、拌料搅拌桶加水搅拌桶加料开泵供清水清洗设备清洗整理清洗充填点进行注浆充填情况开泵供料充填点准备支设临时半密闭结束123456监控出料杨维纲：高水充填技术在综采工作面过空巷中的应用（下转第 182 页）1732023 年第 8 期2023 年 8 月为此，提出采用高水充填技术对空巷围岩变形进行控制，可有效解决综采工作面过空巷这一难题，极大程度降低事故发生率，同时采煤机可直接对充填区域进行截割，提高煤矿的生产效率，促进煤矿实现可持续发展。另外，高水充填材料的水灰比会直接影响空巷加固的效果，因此在应用高水充填技术时，需要根据现场作业的实际情况来确定材料的水灰比，使空巷加固强度最大化，确保工作面可以顺利通过空巷。参考文献：1常鑫.综采工作面过空巷技术应用探讨 J.江西煤炭科技，2019(3)：144-146.2邵春瑞，李俊清，赵宝友.综放工作面过密集空巷群高水充填技术研究及应用 J.煤炭工程，2022，54(6)：57-63.3卞卡，柏建彪，赵涛，等.综采工作面高水材料空巷充填技术与应用 J.煤炭技术，2021，40(5)：37-40.4杨磊.泵送充填支护技术在综采工作面过空巷中的应用 J.山西能源学院学报，2020，33(5)：14-16.5郭喜斌.综采工作面过空巷围岩变形与控制技术研究 J.能源技术与管理，2021，46(1)：83-85.6杨文忠.高水材料充填在综采工作面过空巷中的应用研究 J.煤，2022，31(10)：69-70.7韩陟.高水充填材料在综采工作面过空巷中的应用分析 J.机械管理开发，2021，36(10)：191-192.8李朝珑.高水充填材料在回采工作面过空巷中的应用 J.江西煤炭科技，2022(2)：54-56.（编辑：刘晓芳）置时应注意以下事项：1)相关人员需要了解漏电断路保护装置自身不具备漏电保护功能，将装置安装在煤矿供电系统中，从而有效地对供电系统进行断路保护，所以实际应用时禁止人员触摸漏电断路保护装置；2)煤矿所使用的漏电断路保护装置需符合国家和行业标准要求，在采购、使用前需要严格把关，确保漏电保护装置内部零件配备齐全；3)在实际安装时需要由专业人员操作，保证各接线端子的接线符合设计要求，安装完成后需要进行断电试验，确保可以正常使用；4)漏电断路保护装置的端头有钢带，在使用时需要拆除，其中的中线电缆需要用绝缘片包裹，并保证包裹的有效性；5)在安装中线电缆时需要高度准确，从而防止出现多次连接的现象；6)为了进一步确定漏电断路保护装置能够对煤矿供电系统起到很好的保护作用，在使用前需要进行试验，将安装的保护装置与地面之间的距离控制在 1.5 m 以上6，并且将该保护装置与供电设备的电源相连；7)如果安装的漏电保护装置在电缆芯线上，那么需要掌握电缆芯线的截流面积，确保比主线的面积大很多。3.2维护注意事项煤矿企业需要高度重视供电系统中漏电断路保护装置的维护和管理，制定健全、合理的维护和管理制度，并指定人员对装置进行定期的维护和管理，从而确保煤矿地面供电系统中漏电断路保护装置的正常运行。在维护的过程中应注意以下事项：1)由于漏电断路保护装置在遇到短路、断路等情况时会及时断电，经常出现合闸、跳闸现象，这就造成保护装置中的线路或电源模块烧毁，因此，相关负责人需要对这些配件进行定期检查，在检查时若有配件损坏，则及时更换；2)需要定期校准漏电断路保护装置的相关参数，并对参数进行有效记录和深入分析，进一步提高保护装置的灵敏度和可靠性；3)如果在实际使用的过程中，在漏电断路保护装置已安装的情况下依旧发生了供电系统触电或漏电事故，相关检修人员需要检查漏电断路保护装置，深入探究和分析无法及时断电的原因；4)为了进一步提高供电系统的稳定性、安全性，煤矿企业需要对漏电断路保护装置进行试验，可以每月进行 3 次左右的试验，并记录相关的试验数据，例如从漏电到保护的时间等；5)在进行安装、拆除、更换及定期维护的过程中需要由专业人员负责7，并采取一定的措施对保护装置进行特殊保护，从而有效防止挤压、雨水冲刷、腐蚀等，并有保护装置的警示。4结束语综上所述，煤矿地面供电系统中安装的漏电断路保护装置可以有效降低安全事故的发生率，从而被煤矿企业广泛运用。该保护装置的应用可以解决供电过程中出现的短路、断路及漏电等故障问题，并且在实际应用中具有显著的效果，很大程度提高了煤矿中供电系统的稳定性，从而使煤矿供电系统的可靠性、安全性得到提升，为煤矿企业带来巨大的经济效益。在未来，漏电断路保护装置的应用将会更广泛。参考文献：1郭靖.防漏电断路保护装置在煤矿供电系统中的应用分析 J.机械管理开发，2020，35(11)：95-96.2段国文.漏电断路保护装置在煤矿地面供电系统中的应用 J.江西化工，2020(3)：255-256.3庞建东.分析煤矿供电安全中地面供电系统的改造 J.当代化工研究，2019(14)：125-126.4申光玉.漏电断路器在煤矿供电系统中的应用 J.机械工程与自动化，2021(5)：212-213.5李洁.漏电断路保护装置在煤矿地面供电系统中的应用 J.机械管理开发，2020，35(3)：224-225.6王海玲.漏电断路器在煤矿地面通风机房低压电路中的应用 J.机械管理开发，2020，35(1)：143-144.7安晓霞.矿井地面供电系统中防漏电断路保护装置的应用 J.机电工程技术，2019，48(11)：166-167.（编辑：刘晓芳）（上接第 173 页）182