工作面過冒落區(qū)圍巖注漿加固技術(shù)與應(yīng)用研究

韓國將

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽城大西煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

煤礦過去多采用舊式采煤工藝，巷道規(guī)劃不合理，導(dǎo)致整合資源后，工作面在回采過程中會遭遇早期留下的空巷廢巷。當(dāng)廢巷圍巖巖性較弱時，受到地質(zhì)構(gòu)造影響，或者在巷道掘進(jìn)、工作面回采時，會因?yàn)椴煌潭鹊牟蓜佑绊懼率箍障镯敯寤蛘呙褐扑槎纬刹煌潭鹊拿奥?。通常冒落區(qū)域煤體破碎，圍巖承載力較低，在外動力荷載影響下極容易進(jìn)一步失穩(wěn)，致使冒落的范圍繼續(xù)增大[1-2]。如果不對冒落區(qū)域進(jìn)行處理，巷道掘進(jìn)中易發(fā)生隨掘隨冒的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響掘進(jìn)的效率和施工安全。

1 工程概況

大西礦開采3#煤，埋深約257～374 m，工作面走向長度為664 m，傾向長度為180 m，煤厚平均為3.79 m，為近水平煤層。工作面直接頂多為泥巖，基本頂為灰色細(xì)粒砂巖與泥巖互層，頂板巖性整體較弱，賦存較不穩(wěn)定。

根據(jù)探測可知，3023工作面前方34～157 m處有疑似冒落區(qū)域，具體形態(tài)如圖1所示。如不對其治理很可能造成工作面回采時的片幫、冒頂事故，因此，對冒落區(qū)范圍工作面煤體展開加固，并且加強(qiáng)對區(qū)域巷道的支護(hù)是保證工作面安全回采的關(guān)鍵。

圖1 工作面布置及冒落區(qū)形態(tài)

2 冒落區(qū)賦存特征及加固措施分析

為展開冒落區(qū)域煤體的加固及巷道支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，首先要分析冒落區(qū)形成的原因以及相應(yīng)的賦存特征，從而有利于選擇合適的加固手段，有針對性地展開巷道的補(bǔ)強(qiáng)。

2.1 冒落區(qū)的賦存特征

由于舊式采煤工藝對井田不合理的規(guī)劃，遺留的廢棄空巷和煤柱是在采動影響下發(fā)生冒落的主要范圍，分析可知原因主要有以下3方面：

（1）采用舊式采煤法所遺留巷道的支護(hù)主要是木點(diǎn)柱支護(hù)，經(jīng)過多年的放置，木柱會受到環(huán)境的腐蝕發(fā)生風(fēng)化導(dǎo)致其失去承載力，進(jìn)而使巷道頂板有所下沉，巷道兩邊裸露的煤體存在風(fēng)化現(xiàn)象，導(dǎo)致強(qiáng)度有所降低，因此在采動影響下有較大的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）舊式采煤方法開采時基本不回收頂煤，未回收的頂煤在受到礦山壓力的作用下發(fā)生垮落，頂煤塌落范圍形成冒落區(qū)域，同時由于頂煤垮落，也會對直接頂?shù)姆€(wěn)定性產(chǎn)生影響。

（3）舊式采煤工藝采用高落式開采，巷道經(jīng)過擴(kuò)幫放頂形成臨空區(qū)，在長期礦山壓力的作用和缺乏支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)的條件下，隨著時間推移，巷道的直接頂逐漸垮落，從而形成冒落區(qū)域。

通過分析可知，發(fā)生冒落的主要原因是巷道圍巖承載穩(wěn)定性不足以及巷道原有支護(hù)強(qiáng)度不足兩個方面，因此對于工作面過冒落區(qū)域方式的選擇也主要從以上兩方面。

2.2 冒落區(qū)域加固方式選擇

由于舊式回采工藝，工作面前方會存在由于空巷、煤柱失穩(wěn)而形成的冒落區(qū)域，在3023工作面回采時，應(yīng)分別對空巷以及煤柱區(qū)域采取不同的支護(hù)和加固方式。

（1）在空巷支護(hù)方面，首先需要優(yōu)化空巷支護(hù)參數(shù)，采用預(yù)穿鋼釬控制冒落的大塊矸石，防止其冒落；對于比較破碎的矸石，注漿加固時滲透于冒落區(qū)內(nèi)破碎煤巖體的漿液將其固化粘結(jié)為一個整體。

（2）煤柱失穩(wěn)影響范圍內(nèi)采用注漿加固的方式，提高圍巖承載能力。在破碎煤巖體中注入漿液，滲透于冒落區(qū)內(nèi)破碎煤巖體的漿液將其固化粘結(jié)為一個整體，提高復(fù)采巷道的穩(wěn)定性[3-4]。注漿通過流動可以填滿基本頂與冒落矸石之間的空洞，可有效減緩基本頂?shù)南鲁粒乐够卷斒懿蓜佑绊懗霈F(xiàn)冒頂現(xiàn)象。

3 冒落區(qū)加固方案設(shè)計(jì)

3.1 冒落區(qū)巷道錨桿支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)方案

3023工作面運(yùn)輸巷寬5.0 m，高4.0 m，均采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式。巷道頂部錨桿選用規(guī)格為Ф20 mm×2400 mm，每排6根，錨固深度2300 mm，排距900 mm，間距900 mm，頂角兩根錨桿距離幫部250 mm，傾角為15°。幫錨桿選用Ф18 mm×1800 mm，左右兩幫各4根，鉆孔深度1700 mm，排距900 mm，間距1100 mm，頂部錨桿距離頂板約200 mm，底部錨桿距離底板500 mm，并向底板傾斜15°。巷道斷面全采斷面均采用金屬網(wǎng)鋪設(shè)。巷道內(nèi)采用工字鋼棚支護(hù)，棚間距為800 mm。巷道支護(hù)斷面示意圖如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)斷面示意圖

當(dāng)工作面巷道掘進(jìn)通過舊采空巷冒落區(qū)時，需要根據(jù)復(fù)采巷道圍巖結(jié)構(gòu)類型，采取多種支護(hù)方式相結(jié)合的支護(hù)方案。故而在3023工作面前方遭遇冒落空巷時，需要對巷道支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，支護(hù)方式與在實(shí)體煤中掘進(jìn)基本相同，但為了減少頂板的整體下沉量，在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上對煤柱頂板相對完整的區(qū)域補(bǔ)打錨網(wǎng)索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。錨桿間排距為1000 mm×1200 mm，錨桿型號為Ф22-M24-2400，錨索間排距1800 mm×1600 mm，錨索型號為SKP22-1-8.4 m。

當(dāng)巷道需要通過冒落區(qū)時，由于應(yīng)力轉(zhuǎn)移致使巷道頂板壓力較大，會造成巷道掘進(jìn)時容易發(fā)生片幫冒頂，甚至漏空現(xiàn)象。因此在架設(shè)工字鋼棚時，需要將工字鋼棚間距由800 mm減少至500 mm，同時兩幫鋪設(shè)金屬網(wǎng)，必要時兩幫采取噴漿或注漿措施，防止兩幫破碎和漏風(fēng)。

3.2 冒落區(qū)注漿加固補(bǔ)強(qiáng)方案

注漿加固能夠通過膠結(jié)漿液和破碎煤巖體，提高圍巖的完整性，進(jìn)而提高煤巖體承載能力和殘余強(qiáng)度，降低煤壁片幫、巷道冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。因此，此次注漿采用單液注漿材料，該材料為無機(jī)單液組分，不發(fā)熱且無毒，能夠在15 min內(nèi)快速凝固，初期強(qiáng)度高，選擇1:1的水灰比1 d的強(qiáng)度可達(dá)15 MPa。3023運(yùn)輸巷過冒落區(qū)的鉆孔布置如3所示。

圖3 冒落區(qū)域注漿鉆孔布置圖

注漿加固的具體工藝和注漿參數(shù)如下：

（1）鉆孔布置。單孔平行布置，共計(jì)布置17個鉆孔，鉆孔間排距在6～9 m。為了能夠有效地加固冒落的煤巖體及其間的煤柱，鉆孔的角度不宜太大，以防止鉆孔進(jìn)入頂板，不能夠有效地加固空巷間破碎的煤體。為便于排渣，鉆孔的仰角控制在2°～3°。鉆孔開口直徑Ф133 mm，正常鉆進(jìn)時采用Ф75 mm的鉆頭，鉆孔與巷道中心線的夾角在45°。

（2）在大量注漿前，為防止漏漿，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行封孔處理。插上注漿管后，首先用水灰比0.7:1的單液材料展開封孔，待半小時后漿液初凝后再展開進(jìn)一步注漿。

（3）為提高經(jīng)濟(jì)效益，注漿的水灰比應(yīng)當(dāng)比封孔的水灰比略大。因此正常注漿時，水和無機(jī)注漿材料為1:1。

（4）注漿系統(tǒng)主要由注漿泵、攪拌桶及配套管件組成。注漿泵選用ZWBQ50/19氣動注漿泵，攪拌桶為礦用QB220氣動攪拌桶。

（5）由于注漿加固的對象為破碎的煤巖體，為防止注漿壓力過大致使煤巖體進(jìn)一步破碎，注漿過程中的注漿壓力應(yīng)當(dāng)控制在2 MPa左右，漏漿時可適當(dāng)較低。

4 冒落區(qū)加固效果檢驗(yàn)

當(dāng)探測出巷道前方有冒落區(qū)時，首先通過鉆孔窺視了解冒落區(qū)域的形態(tài)和煤巖體的破碎程度。窺視結(jié)果如圖4所示。

圖4 注漿前鉆孔窺視結(jié)果

由鉆孔窺視結(jié)果可知，鉆孔變形較大，有嚴(yán)重的塌孔現(xiàn)象，并且鉆孔內(nèi)壁破碎，破碎的塊體大小不均勻。結(jié)果表明，冒落區(qū)的煤巖體極度破碎，并且在巷道通過冒落區(qū)時，原有的破碎散體結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)再次遭到破壞，可能發(fā)生隨掘隨冒現(xiàn)象，影響工作面的正常接替。因此，在巷道掘進(jìn)至冒落區(qū)域時，需要利用注漿材料對舊巷冒落破碎煤巖體展開加固。

注入的漿液能夠起到網(wǎng)絡(luò)骨架的作用，增加碎裂圍巖的完整性和穩(wěn)定性，提高松散圍巖的殘余強(qiáng)度和自身的承載能力，與支護(hù)結(jié)構(gòu)形成共同承載體，有力提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

注漿加固后，對注漿范圍內(nèi)的煤巖體又一次展開窺視，注漿后鉆孔內(nèi)的形態(tài)如圖5所示。

圖5 注漿后鉆孔窺視結(jié)果

由窺視的結(jié)果可知，注漿后冒落區(qū)鉆孔的成孔良好，沒有出現(xiàn)塌孔的現(xiàn)象，并且鉆孔孔壁光滑，漿液充滿破碎的煤巖體，沒有出現(xiàn)明顯的裂隙發(fā)育現(xiàn)象，煤巖體完整性顯著提高。

5 結(jié)論

（1）分析了冒落區(qū)域的賦存形態(tài)特征，提出采用巷道加強(qiáng)支護(hù)和煤體注漿加固的聯(lián)合治理措施。為提高巷道頂板的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了巷道頂板的補(bǔ)強(qiáng)方案和注漿加固的工藝參數(shù)。

（2）通過鉆孔窺視對比注漿前后冒落區(qū)煤巖體賦存特性可知，注漿加固有效提高了冒落區(qū)煤巖體的完整性，加固效果良好，支護(hù)方式合理，實(shí)現(xiàn)了工作面的順利推進(jìn)和安全支護(hù)。