注漿工藝在極復雜“孤島”工作面開采中的應用

年福田

（中煤新集能源股份有限公司劉莊煤礦，安徽 阜陽 236200 ）

臨近“孤島”工作面的巖體整體性遭到破壞，受動壓影響后，處于流變狀態，礦山壓力顯現規律極為復雜，礦山壓力引起的巷道維護、頂板管理、防滅火治理等問題尤為突出。因此，研究一種快捷、安全、經濟的治理手段，實現“孤島”工作面安全高效開采，已成為礦井安全發展的一個重要課題。本文以劉莊煤礦120502“孤島”工作面開采為背景，通過優化傳統注漿工藝及參數，取得了良好的效果，對于類似條件下的“孤島”工作面開采具有一定的指導和借鑒意義。

1 概況

1.1 礦井概況

劉莊井田位于安徽省阜陽市潁上縣北部，面積約82.2km2。井田內共13層可采煤層，主要可采煤層平均總厚19.85m。

圖1 120502工作面開切眼剖面

礦井核定生產能力1100萬t/a，為煤與瓦斯突出礦井，水文地質類型為復雜型，采用立井、主要石門、集中大巷、分區開拓的開拓方式。礦井分東、西兩翼，東翼水平標高為-762m，西翼水平標高為-747m。

1.2 “孤島”工作面概況

1.2.1 工作面位置關系

工作面為走向長壁布置，切眼斜長295m，東臨XL2陷落柱，西接東二5煤采區集中上山，南為120503采空區，北近120501采空區及原120502軌順，上方為6-1煤。具體如圖1所示。

工作面位于120601采空區下方，膠順位于120601采空區南側22.0m，軌順位于120601采空區北側約52m。120502工作面北側為原120502軌順和120501采空區，距原120502軌順10m，距120501膠順約22m；工作面南側為120503采空區，距120503軌順約33m。工作面膠順上距120802采空區法距29.7～45.9m，工作面軌順上距120801采空區法距41.0～46.6m，工作面切眼與120601采空區間距5.3～8.8m。臨近工作面開采情況及位置關系如表1所示。

表1 鄰近工作面開采情況及位置關系

1.2.2 地質構造情況

掘進過程中共揭露19條斷層，其中1條落差大于5m，6條落差在2～5m之間。

2 工作面回采過程中存在的問題

（1）工作面距上方6-1煤平均8～12m，層間距小，膠順與6-1煤間距4.2～13.4m。切眼下端頭起22～215m與120601采空區間距5.3～8.8m，不利于巷道支護及工作面回采過程中的頂板管理。

（2）120502軌順與原120502軌順煤柱凈寬10m，且原120502軌順南幫每40～50m有一巷幫鉆場（深度4.5m），煤柱寬度被進一步減小。受工作面超前回采動壓影響，軌順北側煤柱維護困難，易與120503工作面采空區產生導通裂隙，不利于工作面回采期間煤柱維護、采空區瓦斯及防滅火治理。

（3）部分斷層貫穿至采空區，形成風流通道，不利于工作面頂板、一通三防管理。

（4）120601回撤通道封閉前未做特殊填充處理，經探查，壓實狀況差，空間較大，極易集聚有害氣體，工作面回采過巷期間存在頂板片冒、采空區有害氣體異常涌出等問題。

（5）工作面兩巷受回采動壓影響，礦壓顯現明顯，巷道圍巖完整性進一步遭到破壞，巷道變形較嚴重，影響安全回采。

（6）周邊閉墻及閉墻圍巖受回采影響，多數變形開裂，密閉性較差，對工作面防滅火產生不利影響。

3 注漿工藝的應用與優化

針對工作面“孤島”開采特點，先后采用注漿工藝對離層破碎圍巖加固、老巷填充、密閉墻封堵等，具體措施如下。

3.1 斷層加固注漿

從兩巷向落差大于4m的斷層面布置扇形注漿孔，終孔位于斷層面附近，采用水泥漿高壓注漿，改善工作面頂幫圍巖條件，防止工作面與120601采空區形成風流通道。經統計，斷層注漿單孔注漿量平均300kg（最多900kg），具體注漿孔設計示例如圖2所示。

圖2 斷層注漿設計示例圖

3.2 切眼超前加固注漿

切眼由上向下掘進，自臨近120601采空區對應位置，向120601采空區施工注漿孔，對巷道頂板采空區巖體超前預注漿。漿液沿采空區裂隙向下自流，超前加固巷道頂板，為安全掘進創造條件。工作面回采前，超前對120601采空區兩巷進行注漿充填，改善過巷處頂板環境，防止工作面初采期間超前片冒，導通采空區。

3.3 原120502軌順充填注漿

自120502軌順每隔約50m，向原120502軌順施工注漿孔，使終孔位于原120502軌順巷中頂板附近。采用兩臺注漿泵注水泥+水玻璃（簡稱雙液漿）混合漿液，預先配置水灰比為1.4:1（重量比，下同）的水泥漿及水玻璃稀釋液（水∶水玻璃=1:1，體積比，下同），合理調整注漿泵動作頻率，使水泥漿液∶水玻璃液控制在4:1～2:1（體積比）范圍內，使漿液混合后經終孔孔口流出的初凝時間約10～15s。利用漿液堆積形成混凝土擋墻，分段隔離后在擋墻中間施工注漿孔充填水泥漿液，使漿液擴散半徑能夠覆蓋兩擋墻之間空間，并通過自流有效充填兩巷之間煤柱裂隙，提高煤體自承載性能，同時阻斷120501采空區與120502采空區之間有害氣體涌出通道。如圖3所示。

圖3 原120502軌順注漿設計示例

3.4 120502兩巷頂板離層、破碎段注漿

根據探查的頂板實際離層位置布置注漿孔，深淺孔配合（孔深2m，深孔超離層位置約1m），不噴即注，實現淺孔封堵淺部圍巖裂隙，深孔高壓充填深部離層裂隙，合理調整注漿參數，快速加固（漿液凝固時間控制在8s以內）。輔助采用頂板小角度鉆孔注漿，快速大范圍充填淺部破碎圍巖，實現一次注漿加固范圍12～15m。

3.5 120601回撤通道注漿

從兩巷向120601回撤通道扇形布置貫通孔，先注水泥漿充填老巷底板裂隙，根據同坡度等長度斜巷模擬試驗，得出漿液在類似斜巷耗時約30s，注漿套管長70～110m。通過調整雙液漿配比，實現雙液漿定點填充，確保漿液流至回撤通道下端頭附近開始初凝，由下至上逐漸堆積充填回撤通道裂隙及空間。如圖4所示。

圖4 120601回撤通道注漿設計示例

3.6 密閉墻注漿

首先在密閉墻外頂底板及兩幫與巷道延伸方向成一定夾角造孔，頂幫造孔深3～15m，底板孔深2～5m，注水泥+水玻璃漿液，填充圍巖裂隙，增加閉墻附近圍巖抗壓性能。后根據密閉墻周邊注漿效果，選擇自密閉墻或密閉墻兩幫向閉內造孔，終孔位于閉內頂板及兩肩窩處，注雙液漿充填。如圖6所示。（1）上山巷道閉墻，宜采用粉煤灰輔助配合水泥（水泥∶粉煤灰=2:1～1:1）注漿，利用漿液滲透性強的特點，充分填充裂隙，加固閉墻。可采用間歇式注漿，防止連續注漿對閉墻產生過大壓力而造成閉墻損壞。

（2）通過多次試驗，平巷及下山巷道閉墻宜采用雙液漿（初凝時間10s）注漿。通過調整注漿管路長度，使得漿液經終孔孔口流出后約3s初凝，可有效控制漿液流淌范圍，實現快速定點注漿封堵。

圖5 平巷密閉墻注漿設計示例

4 注漿效果

（1）通過對斷層面預注漿，使斷層附近破碎圍巖構成一個整體，防止圍巖進一步風化、水浸，增加圍巖自承載能力。工作面過斷層期間未出現片幫、掉頂、有害氣體異常涌出、動力現象等。

（2）通過對切眼超前預注漿加固，掘進、安裝及初采期間，切眼和工作面頂板整體穩定完好。經觀測統計，巷道頂板最大變形量280mm，幫部最大變形量140mm，未出現片幫、冒頂現象。

（3）通過對原120502軌順超前注漿充填、加固，經統計，回采期間，煤柱側幫部最大位移量720mm，未出現幫部擴修及有害氣體超標情況，回采過程中僅采取局部臥底措施即可滿足回采需要。

（4）工作面兩巷（主要為膠順）頂板及幫部圍巖通過注漿加固，輔助施工錨索+礦工鋼、單體等補強支護措施，經觀測統計，幫部位移量均控制在450mm以內，配合巷道修復機超前臥底，即可實現工作面順利推進。

（5）通過向120601回撤通道注漿充填、加固，過巷期間未出現片幫、冒頂、有害氣體異常涌出現象。

（6）通過向閉墻內及周邊圍巖注漿，閉內氣體、溫度指標均下降至正常范圍內。

（7）通過注漿工藝應用與優化，工作面最高月推進165m，原煤單產48萬噸/月，實現了安全高效開采。

5 結論

（1）采用傳統注漿工藝，通過優化注漿方案，可有效解決井工開采過程中圍巖加固、裂隙充填、采空區隔離等難題。

（2）科學合理的注漿參數，需根據注漿目的進行優化調整，并輔以試驗手段，方可實現快速定點高效注漿，達到因地制宜的效果。

（3）圍巖充填、加固注漿，其注漿時間需遵循“先變形后注漿”、“找裂隙充填”的原理，注漿孔位置的選擇需按照“哪壞注哪”的原則，結合工程進度及圍巖變形情況進行隨機選擇調整。

（4）注漿工程中，根據注漿需要，可輔助配合粉煤灰等廉價材料，能夠有效降低工程成本。