復采工作面回采巷道頂板注漿加固技術研究與應用

秦 澤

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048027）

山西蘭花集團莒山煤礦4 號煤層目前已處于枯竭狀態，為延長礦井服務年限，提高煤炭資源采出率，提出了復采方案。由于以往的房柱式開采在采區范圍內遺留許多煤柱及空巷，原空巷區可能具有積水、瓦斯、有毒有害氣體以及頂板冒落等[1-3]。以莒山礦4301 復采工作面為研究背景，在分析遺留空巷頂板特征的基礎上提出了水泥粉煤灰注漿工作面頂板控制技術，并進行了工程實踐。

1 工程概況

4301 復采工作面所采煤層為侏羅紀下統延安組4 號煤層，煤層平均厚度為6.21 m，受開采技術裝備及回采工藝的影響，以往采用房柱式開采工藝，開采巷道（煤房）沿煤層底板掘進，采高為2～2.5 m，開采時采煤方式主要為擴幫、淘幫等方式，采空區寬度為5～7 m，開采后在采空區內遺留了許多形狀、大小各異的空巷及煤柱。

根據臨近其他礦的經驗，復采一般采用綜采放頂煤后退式采煤工藝。4301 復采綜放工作面采厚為2.5 m，放高3.71 m，放煤步距0.8 m，一采一放。工作面設計長度為150 m，4號煤層基本頂為細砂巖，均厚9.2 m，直接頂為泥巖及砂質泥巖，均厚6.3 m；底板為砂質泥巖，平均厚度為5.2 m。

工作面運輸順槽設計為矩形斷面，運輸巷掘進寬度為4.5 m，凈寬為4.3 m，掘進高度為3.2 m，凈高為3.0 m，沿底掘進，正常段巷道采用錨桿錨索聯合支護系統。支護參數如圖1。

圖1 巷道支護斷面

2 運輸順槽過冒頂松動區頂板穩定性分析

一般而言，舊空區上覆巖層其主要破壞形式為拉伸破壞。空巷初始形成階段，上覆巖層懸露于巷道部，隨著時間的推移，空巷兩幫幫部發生流變破壞，導致上覆巖層懸露跨距增大，上覆巖層發生沉降。巖層懸露達一定跨度，彎曲沉降發展到一定限度后，懸露巖層出現彎曲拉應力。當應力達到或超過其抗拉強度時，巖層發生拉伸破壞。

將空巷頂板巖層簡化為同時受兩個力的作用，一是自重，二是軸向推力N。軸向推力N是由作用在巷道兩側的支撐壓力σx=KxγH所引起的。如果空巷寬度超過頂板巖層維持平衡時極限跨度，兩端拉應力超限發生斷裂、垮落。

煤巖體垮落進入空區，膨脹充填后可能形成的破碎區域高度△為：

式中：M為空區高度，m；H為巷道掘進高度，取3.2 m。

采空區高度M可按式（2）表示：

式中：∑h為煤巖體厚度，取原來最大采高2.5 m；Kp為巖層垮落后的碎脹系數，取1.25。代入各參數，得△=6.8 m。即巷道掘進過程中穿過已采煤房空區時巷道頂板松動區域的高度為6.8 m。

3 巷道過冒頂松散區注漿加固技術

3.1 松動區域注漿加固機理分析

掘進巷道進入以往開采遺留空區形成的松動巖層區域時，在掘進采動影響下，巷道圍巖松動巖層進一步破壞，圍巖強度進一步降低，圍巖穩定性變差，導致巷道圍巖變形量增大，支護難度增大。在水泥粉煤灰漿體的注漿作用下[4-5]，一方面漿體可以順著巷道頂板松動區域的裂縫和破裂帶流動，對頂板上覆巖層進行充填，漿體凝固后可以使巷道頂板破碎巖層粘結為整體相對完整的覆巖結構，從而使巷道圍巖保持穩定，有效降低了巷道圍巖的變形量；另一方面液態漿體對巷道頂板上覆松動巖層充填后在其凝固過程中可有效改善圍巖體的物理力學性質，漿體凝固后圍巖的整體強度得到增強，具有良好的承載能力，有效承載上覆巖層的應力，從而降低了巷道圍巖的變形。

3.2 混凝土漿液配比

混凝土漿體骨料主要為粉煤灰和水泥，加有少量膨脹劑及膠凝劑。根據實驗[6-7]，確定粉煤灰與水泥的用料比為3:1，粉煤灰與水泥組成的固體骨料與水的質量比為1:1，漿體初凝時間為60 min，終凝時間為5 h。

3.3 技術方案

當掘進巷道穿過冒落空區時，首先采用密集型工字鋼梁與金屬網及時支護巷道，維護巷道初始斷面，之后將注漿管接入巷道頂部松動區域，使鉆孔終端落在松動區的上方。計算好漿液從攪抖機內通過注漿泵到流出鉆桿所需時間長短來調節漿液的初凝時間，讓漿液從鉆桿中流出后，在冒落松散體內流動的過程中凝固，從而起到粘結冒落矸石的作用。在巷道內每隔10 m 布孔1 排注漿管，每排扇形布置4 個，注漿管長6.5 m。在各個鉆孔內分別設置逆止閥，并采用封孔器進行封孔。通過泵送漿體進入巷道上覆空區，漿體具有初凝速度快及膨脹的性質，漿體初凝后即可以與松動巖層形成一個相對的整體結構。

為保證注漿后回采巷道的穩定性，采用單體柱配合π 型梁的方式對空巷進行加強支護。在空巷內每排支設4 根單體支柱，配合π 型頂梁支護，柱距0.8 m，排距為0.6 m，支柱穿鐵鞋。在加強支護下有利于充分維護漿體進一步凝固過程中巷道圍巖的整體穩定。

3.4 注漿安全施工措施

（1）注漿人員作業期間必須佩戴防護用品，避免漿體進入眼部及皮膚長期與漿體接觸，作業場所必須備有一定量的清潔用水。

（2）注漿人員密切注意泵的壓力，隨時觀察注漿量，并特別注意注漿管內的壓力情況。

（3）施工過程中確保泵送漿體流量，滿足漿體初凝條件下的注漿時間。

（4）注漿完畢后應立即清洗缸體和注漿管路，避免注漿管的擁堵。

（5）換孔時施工人員必須在注漿管內壓力釋放后再拆卸注漿管路。

（6）注漿連接管路時要保證各部位連接牢固。

（7）施工前要先排除頂、幫浮矸危巖后，再鉆孔注漿。

4 應用效果

為分析巷道過空區注漿加固效果，巷道掘進過程中對注漿加固區域進行了圍巖變形測量，注漿區域在加固70 d 內隨著時間的增加，巷道圍巖變形不斷增大，超過70 d 后巷道圍巖基本處于穩定狀態，這與正常煤體巷道掘進后圍巖的變形規律基本吻合。當巷道圍巖趨于穩定后，巷道頂板最大變形量約為42 mm，兩幫累計變形量約為55 mm，底板最大變形量約為30 mm，巷道整體變形量較小。表明注漿加固方案合理，在粉煤灰與水泥漿體作用下，巷道圍巖體整體強度和抗變形能力得到大幅度提高，巷道圍巖變形得到了有效控制，為后期復采工作面安全高效開采奠定了基礎。

5 結論

（1）在分析工作面復采開采條件及工作面運輸順槽開采技術條件的基礎上，分析了運輸順槽過冒頂松動區頂板穩定性，通過理論分析確定巷道穿過已采煤房空區時巷道頂板松動區域的高度為6.8 m。

（2） 為保證巷道過松動空區時圍巖控制問題，提出了水泥粉煤灰注漿加固方案，分析了注漿加固機理，通過實驗給出了漿體配比，并給出了具體技術方案。

（3）實踐表明，巷道過松動區域注漿加固后，巷道圍巖變形量較小，圍巖得到了有效控制，表明注漿加固方案合理有效，為后期復采工作面安全開采奠定了基礎。