5300-1 综放工作面底板加固技术研究

2022-06-21高飞

山东煤炭科技 2022年5期

高飞

（晋能控股煤业集团铁峰煤业有限公司，山西右玉 037200）

1 概况

5300-1 工作面位于53 盘区中东部，南起53 盘区皮带巷，北面距F35 断层35 m，西邻已采5300工作面，东部为实煤体。工作面标高为1252～1304 m，煤层厚度9.05～12.73 m，平均11.5 m，煤层倾角0°～7°，平均2.5°，倾斜长150 m，走向长度1095 m，可采走向长度840 m，可采储量约189 万t。工作面推进至头349 m、尾333 m 时工作面受断层影响，52#～57#支架范围底板松软，导致支架下沉倾斜，工作面状态差，顶板支撑力小，造成局部煤壁片帮，甚至诱发漏冒顶。

2 底板加固方案优缺点分析

5300-1 工作面采取的治理软泥底板方案主要包括直接治理、注浆加固和挖底替换三种，其方案优缺点对比见表1。

表1 治理软泥底板方案优缺点对比

对比以上三种治理软泥底板方案，通过分析及结合工作面现场施工情况来看，挖底替换方案虽挖槽强度相对较大，但是加固料的凝固时间短，硬化明显，同时不影响综采工作面正常推进，最终选取挖底替换方案。

3 挖底替换施工工艺

（1）每循环施工段巷道长10 m、宽1 m，先将巷道底板开挖0.6 m 深，然后加入工字钢，铺上钢筋网并用铅丝捆扎牢固，之后充填加固材料。开挖施工采用风镐、洋镐作业，注浆采用风动注浆泵进行施工。

（2）现场施工条件准备。在巷道布设风管为风镐供风，风管采用DN25 高压胶管，输水管路采用一趟DN25 高压胶管。

（3）技术参数。① 加固充填料采用湿式喷入方式，水灰比0.6～0.8，凝固4 h 后预计抗压强度15～18 MPa。② 工字钢规格不限（废弃的钢梁、回收旧锚杆都可代替），搭接不得少于200 mm，铺设2 排，尽量平整；钢筋网采用钢筋Ф6 mm，网格规格100 mm×100 mm，覆盖全部底板。工钢及钢筋网必须采用14#铅丝捆扎牢固（如图1）。③加固施工示意图如图1。

图1 处理方案示意图（mm）

4 施工设备及底板充填加固材料

4.1 充填加固材料性能需求

充填加固材料[1-5]主要是为了在工作面回采软底区域时，能够保证不大面积破碎，有效支撑支架，防止支架歪斜、倾倒，能够支撑顶板，保证工作面正常回采。为了达到良好的应用效果，通过理论计算、数值模拟和现场调查等手段，确定了充填加固材料的性能要求。具体性能要求如下：

（1）凝结时间要求。在切槽充填施工过程中，为了保证良好的施工效果，初凝时间不能过早，经综合考虑为20 min，确保有足够的输送和施工时间。

（2）强度性能要求。为保证工作面高效推进，必须确保材料有较高的早期强度，这与施工期间的缓凝是矛盾的，也是材料配比的难点和关键点。综合考虑工程特点，要确定材料能在2 h 时内达到8.4 MPa 以上，即完成切槽、铺底后材料强度需快速增长，短时间内达到足够的支撑效果。

4.2 主料的选择与配比

充填加固主料为硫铝酸盐水泥熟料、石膏、生石灰。为了便于施工，保证浆液具有较好流动性的同时又具有速凝效果，将充填支柱材料设计为双液施工。外加剂确定：减水剂、增稠剂、缓凝剂、早强剂。注浆材料主料中，石膏和石灰的比例对材料的性能会产生较大的影响，因此，试验首先对不同比例的石灰、石膏进行性能分析。固定减水剂、增稠剂、缓凝剂、早强剂的掺量，变化石膏、熟石灰的比例以及水灰比，测试石膏、熟石灰的质量比例不同，水灰比为0.6、0.8、1.0 时，浆体硬化4 h 的抗压强度。测试结果见表2 和图2。

表2 不同石膏/熟石灰比时4 h 的抗压强度（单位：MPa）

图2 石膏/熟石灰对4 h 抗压强度的影响

从表2 和图2 可以看出，水灰比一定时，石膏/熟石灰低于7 时，抗压强度随石膏/熟石灰的增大而逐渐增大。抗压强度在石膏/熟石灰为7 时达到峰值，之后又开始降低，每种水灰比的抗压强度均在石膏/熟石灰为7 时达到最大值，因此，将石膏/熟石灰确定为7:1。

主料确定后，经过大量的配比试验和优化，最终确定复合添加剂的配比，见表3。

表3 充填支柱材料最终配比

4.3 水灰比对充填支柱的影响

分别采用0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0 的水灰比测试浆液流动度、浆液粘稠度，见表4、表5 和图3。

图3 水灰比测试浆液流动图

表4 不同水灰比浆液对流动性的影响

表5 充填支柱材料抗压强度对比（单位：MPa）

从表4、表5 和图3 可以看出，随着水灰比的增大，流动度近似呈线性增大，表明随着水灰比在0.6 到0.8 时流出时间迅速降低，水灰比再增大时流出时间降低较慢。即水灰比越大，则流动度就越大，可注性就越好，但是水灰比越大，离析、泌水的可能性就越大，而且在其他掺量不变时，水灰比越大强度越低。因此，将水灰比确定为1.0～1.2。

5 应用效果

目前，5300-1 工作面已顺利通过软泥区域。通过实际的应用效果可以发现，注完加固料2 h 后，支架可以在上方行走，支架不发生下沉，同时能够调整工作面错茬，有效缩短通过该区域时间，在施工过程中没有发生事故，设备损坏率为5%，有效降低了设备的维修成本，实现了工作面安全、快速通过地质影响区，取得了显著的成果。