综采工作面顺槽联巷快速密闭技术研究与应用_梁旭.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0160引言煤矿井下生产过程中，需要及时构筑大量的密闭墙对采空区和废弃巷道等区域进行永久封闭，以隔绝空气的流通，防止有毒有害气体外泄和煤炭自燃等灾害事故的发生。传统密闭墙多为两边砌筑砖墙、中部充填黄土或粉煤灰的结构，密闭墙构筑厚度大，导致施工周期长和工程量大的问题长期存在，而且砖墙在矿压作用下容易变形破裂并形成漏风通道，后期仍需不断开展喷浆堵漏等维护作业。大多数现代化矿井采煤工作面采用双巷掘进方式，两巷之间布置有密集的联络巷道，顺槽联巷根据工作面回采进度需要及时构筑永久密闭对采空区进行封闭，采用传统密闭工艺难以保障工作面的安全高效开采，因此，采用机械化程度高、构筑速度快且满足密闭质量要求的快速密闭技术具有重要的现实意义。本文基于小保当煤矿综采工作面生产技术条件和传统密闭工艺存在的问题，对顺槽联巷快速密闭结构进行了设计和安全性分析，开展了快速密闭构筑试验并对密闭质量进行了压力和漏风检测，对比分析了快速密闭与传统密闭在技术经济效果方面存综采工作面顺槽联巷快速密闭技术研究与应用梁旭1，张建忠2，3，陈真1，李丁2，管隆刚4，刘超1（1.陕西小保当矿业有限公司，陕西 榆林719302；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，西安710100；3.西安科技大学 能源学院，西安710054；4.陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕西 榆林719000）摘要：现代化矿井多采用双巷掘进，顺槽联巷及时密闭能够保障综采工作面的安全高效回采。基于小保当矿传统密闭施工量大、工期长和劳动强度高的问题，对该矿112207综采工作面顺槽联巷进行了快速密闭结构设计，并从抗压、抗冲击和防水3方面进行了安全性分析；提出了“柔性模袋+改性混凝土充填材料+机械化泵送”的快速密闭构筑工艺并开展了现场试验；对快速密闭承压和气密性能进行了现场检测，结果表明，快速密闭能与围岩形成稳定的整体结构，承压性能满足要求，气密性良好；相较于传统密闭，快速密闭施工工期和成本分别降低了40%和27%，技术经济效果显著。关键词：联络巷；快速密闭；构筑工艺；柔模；改性混凝土中图分类号：TD726;TD745文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 066 05Research and Application of Rapid Sealing Technology of RoadwayCrosscut in Fully Mechanized Mining FaceLIANG Xu1，ZHANG Jianzhong2，3，CHEN Zhen1，LI Ding2，GUAN Longgang4，LIU Chao1（1.Shaanxi Xiaobaodang Mining Co.,Ltd.,Yulin 719302,China;2.Shaanxi Coal Chemical Industry Technology ResearchInstitute Co.,Ltd.,Xian 710100,China;3.College of Energy Science and Engineering,Xian University of Science andTechnology,Xian 710054,China;4.Shaanxi Coal Group Yubei Coal Industry Co.,Ltd.,Yulin 719000,China）Abstract:In modern mines,double roadway driving is often adopted,and it can ensure the safety andhigh efficiency of fully mechanized mining face to construct the sealing in roadway crosscut in time.Based on the problems of traditional sealing of large construction volume,long construction period andhigh labor intensity in Xiaobaodang mine,the rapid sealing structure of 112207 fully mechanizedmining face was designed,and the safety analysis was carried out from three aspects of pressureresistance,impact resistance and waterproof.The rapid sealing construction technology of flexibletemplate+modified concrete filling material+mechanized pumping was put forward and field testswere carried out.The results of the field test on the rapid sealing pressure and airtight performanceshowed that,the rapid sealing can form a stable overall structure with surrounding rock,the pressureperformance met the requirements,and the airtightness was good.Compared with traditional sealing,theconstruction period and cost of rapid sealing are reduced by 40%and 27%respectively,the technicaland economic effect is obvious.Key words:crosscut;rapid sealing;construction technology;flexible template;modified concrete66在的差异，为煤矿井下顺槽联巷应用快速密闭技术提供了借鉴。1试验综采工作面条件1.1地质条件112207综采工作面位于2-2煤11盘区，东部为未采的112208工作面，西部为112201工作面采空区，北部为2-2煤辅运大巷，南部为井田边界。地面标高1 2761 326 m，工作面标高940995 m。工作面所采煤层2-2煤平均厚度5.7 m，煤层倾角不足1，顶底板岩性特征如表1所示。表1112207综采面煤层顶底板岩性特征1.2巷道布置112207综采工作面采用双巷掘进方式，巷道布置如图1所示，工作面回采过程中，对运输顺槽和辅运顺槽之间的联络巷进行及时封闭，辅运顺槽留作相邻下一工作面的回风顺槽继续使用。该工作面运输顺槽与辅运顺槽之间布置联络巷40道，各联巷之间平均间距为140 m，工作面推进距离为15 m/d，正常推进过程中平均每9 d就需要构筑1道联巷密闭。图1112207综采工作面巷道布置平面示意1.3传统密闭工艺及存在问题小保当矿目前所采煤层属于易自燃煤层，对密闭墙气密性要求高，由于工作面推进速度快，开采强度大，密闭墙还需承受较剧烈的采动压力。该矿工作面顺槽联巷传统的密闭形式为两边各砌筑厚度1 m的砖混墙，中间间隔3 m充填黄土，黄土充填至离顶板300 mm处注射固安特材料进行密封处理，密闭墙总厚度5 m。随着矿井现代化水平的不断提高，传统密闭工艺显露出诸多问题：（1）外侧两道砖混墙在长期矿压作用和相邻工作面二次采动影响下，容易出现变形破裂，形成漏风通道，造成安全隐患；（2）工程量大，工人劳动强度高，施工周期长，难以保障工作面的安全高效回采；（3）井下材料运输量大，辅助运输作业量增加；（4）砖混墙中间充填的黄土遇水或受潮具有湿陷性，造成中部空虚，易形成漏风供氧通道，且具有一定隐蔽性。2快速密闭试验方案2.1快速密闭结构设计在煤矿井下密闭墙构筑实践中，柔模泵注混凝土技术表现出了施工效率高、劳动强度低的优点，考虑到单一混凝土材料凝固收缩导致接顶不实的问题，需对混凝土进行改性处理。基于“柔模支护+无机固化充填材料”的快速密闭技术理念，本试验密闭墙体采用柔模+改性混凝土材料进行构筑。快速密闭墙体宽度和高度根据顺槽联巷尺寸和掏槽深度确定，墙体厚度根据对密闭造成冲击破坏的临界冲力pc=B2H12L2m1/（2m1+m2）b（1）式中B密闭墙厚度，m；H密闭墙所在巷道的净高度，112207综采面顺槽联巷高度H=4.4 m；L密闭墙所在巷道的净宽度，L=6 m；m1冲击物质量，kg；m2被冲击物质量，kg；b断裂强度，取b=1.45 MPa。冲击波气体质量忽略不计，经计算密闭厚度B=0.73 m，为了保证密闭墙的抗冲击性能，在原结果基础上乘以1.25的安全系数，得出快速密闭墙体厚度为1.5 m。快速密闭墙体结构示意如图2所示。2.2快速密闭安全性分析顺槽联巷永久密闭需要长期承受矿压作用和确保回采区域的安全生产，为了保证新型快速密闭结构尺寸设计的合理性，对其抗压、抗冲击和防水性能作进一步分析。（1）抗压性对密闭抗压能力的基本要求是抗压性能大于顶板压力。根据前期室内实验，添加增强剂等外加剂的改性混凝土材料7 d强度可达到23 MPa，28 d强度可达到30 MPa。112207工作面埋深约为300 m，根据矿压监测数据，采用改性混凝土充填材料的快速密闭可以满足工作面的耐压要求。快速密闭按照“先让后抗，让中有抗”的作用方层位老顶直接顶伪顶直接底老底岩性中粒砂岩细粒砂岩炭质泥岩砂质泥岩砂质泥岩平均厚度/m19.7312.890.576.559.26特征灰白色，成分以石英长石为主，岩芯坚硬致密灰色，局部夹细粒砂岩薄层，岩芯以柱状为主，局部碎块灰黑色，块状层理，以短柱状为主，岩芯坚硬致密深灰色，含植物叶片化石，岩质松软，岩芯以碎块状为主灰白色，成分以石英为主，岩芯坚硬致密运输顺槽临时密闭辅运顺槽联络巷煤柱永久密闭112207工作面回风顺槽采空区第42卷第02期Vol.42 No.02综采工作面顺槽联巷快速密闭技术研究与应用梁旭，等67式，通过调节外加剂比例实现柔性接顶，顶板来压强烈时，密闭顶部缓慢压缩变形，顶板压力大量释放的同时密闭承载能力逐步增加，有效防止了密闭墙体的破坏。（2）抗冲击性目前国内对联巷密闭的抗冲击性还没有明确的指标规定，美国联邦法典规定密闭的抗冲击强度为0.14 MPa，试验所用改性混凝土材料的抗剪强度为1.45 MPa，满足这一规定，因此认为快速密闭的抗冲击性符合要求。（3）防水性顺槽联巷密闭在使用中要求具备一定防水性能，其主要承受汇入采空区的静压水作用。112207综采工作面顺槽联巷密闭实际承受的水头高度为55 m，水头压力0.55 MPa。为了确保快速密闭在防水方面的安全性，根据密闭墙体强度及受力结构对其安全水头高度进行计算。根据快速密闭墙体强度及嵌入围岩深度确定的密闭墙承受的安全水压ps1=hfc（B+2E1）（H+E2+E3）-S1/0BH（2）式中0结构的重要性系数，取0=1.2；h混凝土折减系数，取h=0.85；fc混凝土抗压强度设计值，MPa；E1帮槽深度，m；E2底槽深度，m；E3顶槽深度，m；S1墙体受水压作用总面积，m2。根据快速密闭墙体抗剪强度及承载结构确定的密闭墙承受的安全水压ps2=h2（H+B）L/0BH（3）式中密闭墙允许抗剪强度，取=1.45 MPa。根据围岩强度确定的密闭墙承受的安全水压ps3=2（H+B）L/0cBH（4）式中c掏槽对围岩的影响系数，取c=1.6；岩体允许抗剪强度，MP