巷道過(guò)采空區(qū)超前預(yù)注漿及圍巖控制技術(shù)

溫成亮

(山西焦煤西山煤電鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030203)

巷道是煤炭開(kāi)采工作面得以開(kāi)展的基礎(chǔ)，巷道安全高效掘進(jìn)對(duì)提高礦井生產(chǎn)效率具有重要意義[1-2]。隨著礦井采掘深度的增加以及范圍的擴(kuò)大，巷道掘進(jìn)時(shí)遇地質(zhì)構(gòu)造、破碎帶等的情形也會(huì)增加，在地質(zhì)構(gòu)造、破碎帶內(nèi)，掘進(jìn)巷道時(shí)面臨的主要難題是圍巖裂隙發(fā)育，巷道掘進(jìn)受到較大影響；而當(dāng)巷道掘進(jìn)過(guò)采空區(qū)時(shí)，采空區(qū)內(nèi)冒落巖體分布無(wú)規(guī)則、破碎，巷道掘進(jìn)期間面臨頂板冒落、圍巖變形量大等問(wèn)題，容易出現(xiàn)安全事故[3-6]。注漿是提高破碎煤巖體穩(wěn)定性以及承載能力的重要技術(shù)措施，通過(guò)在采空區(qū)巷道掘進(jìn)范圍進(jìn)行超前加固，可為巷道掘進(jìn)以及圍巖支護(hù)創(chuàng)造相對(duì)良好的條件[7-8]。文中以山西某礦5503運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)采空區(qū)為工程實(shí)例，提出通過(guò)超前注漿加固采空區(qū)內(nèi)破碎巖體，并結(jié)合工字鋼架棚、錨索以及表面噴漿等方式對(duì)巷道圍巖進(jìn)行控制，現(xiàn)場(chǎng)取得了較好的應(yīng)用成果。

1 工程概況

5503運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 595 m，設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面為梯形，凈斷面積12.3 m2(凈高3.0 m，頂部及底部?jī)魧挿謩e為3.7 m、4.5 m)，沿著5號(hào)煤層底板掘進(jìn)。5號(hào)煤層為礦井現(xiàn)階段主采煤層，埋深均值260 m，煤層厚度5.0 m，頂?shù)装鍘r性以泥巖、砂質(zhì)泥巖以及粗砂巖為主，具體巖性特征見(jiàn)圖1所示。

5503運(yùn)輸巷由于掘進(jìn)深度較淺、地應(yīng)力不顯現(xiàn)，設(shè)計(jì)采用工字鋼架棚支護(hù)。根據(jù)已有地質(zhì)資料以及物探資料可知，5503運(yùn)輸巷在掘進(jìn)至590～710 m范圍內(nèi)時(shí)會(huì)揭露小煤窯采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)充填有冒落且分布不規(guī)則的砂質(zhì)泥巖、粗砂巖且下部約有1.5 m厚的浮煤。5503運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過(guò)小煤窯采空區(qū)期間仍沿著5號(hào)煤層底板掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)期間面臨的主要難題是控制頂板破碎巖體穩(wěn)定并減小巷道圍巖變形量。

圖1 5號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性圖

2 超前注漿加固

2.1 注漿孔布置

5503運(yùn)輸巷過(guò)小煤窯采空區(qū)時(shí)在掘進(jìn)迎頭位置向頂板注漿，具體注漿鉆孔布置見(jiàn)圖2。在掘進(jìn)迎頭布置2排注漿鉆孔，鉆孔孔深均設(shè)計(jì)為8 m，其中上排鉆孔3個(gè)，仰角12°，鉆孔布置在距離頂板300 mm位置，兩側(cè)鉆孔均距離巷幫300 mm，中部鉆孔位于巷道中部；下排鉆孔3個(gè)，距離上排鉆孔間距1 000 mm，鉆孔仰角統(tǒng)一為12°，兩側(cè)鉆孔與巷幫間距均為300 mm且均外插12°，中部鉆孔垂直迎頭施工。通過(guò)注漿確定巷道掘進(jìn)外輪廓線3 m以上范圍內(nèi)破碎巖體穩(wěn)定(鉆孔注漿有效擴(kuò)散半徑在2.0 m以上)。

圖2 注漿鉆孔布置示意(mm)

鉆孔注漿加固完成后允許巷道掘進(jìn)5 m，后在掘進(jìn)迎頭開(kāi)始下一循環(huán)注漿，確保兩個(gè)掘進(jìn)循環(huán)間重疊有3 m的注漿加固區(qū)。

2.2 注漿加固材料及設(shè)備

現(xiàn)階段礦井倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)加固材料有安固兒KDG以及水泥兩種。為提高注漿加固效率并減少注漿加固對(duì)巷道掘進(jìn)的影響，結(jié)合以往注漿加固的經(jīng)驗(yàn)，決定在5503運(yùn)輸巷掘過(guò)小煤窯采空區(qū)時(shí)選擇采用安固兒KDG加固材料，具體材料性能見(jiàn)表1。

2ZBQ-5/12雙液注漿泵在煤礦井下注漿加固中應(yīng)用較為普遍。注漿配套使用的注漿管長(zhǎng)度為3 000～6 000 mm、管徑1寸鋼管，直徑10 mm高壓軟管以及人字形三通混合器。具體掘進(jìn)迎頭注漿工藝見(jiàn)圖3。

表1 注漿加固材料性能參數(shù)

圖3 注漿工藝圖

3 巷道圍巖支護(hù)

1) 臨時(shí)支護(hù)。巷道每掘進(jìn)1 m即采用臨時(shí)支護(hù)、架棚對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。在迎頭距離頂板下方200 mm處，按照25°仰角向掘進(jìn)面前方打眼并穿入小鋼管對(duì)頂板巖體進(jìn)行支護(hù)，鉆孔按照250 mm間隔布置，孔深均為1 500 mm。每施工完一個(gè)鉆孔后即穿入小鋼管，避免鉆孔塌孔導(dǎo)致小鋼管插入困難。

2) 永久支護(hù)。5503運(yùn)輸巷過(guò)小煤窯采空區(qū)時(shí)采用金屬網(wǎng)+架棚+錨桿(索)+表面噴漿方式構(gòu)成永久支護(hù)方案，對(duì)圍巖變形進(jìn)行控制。圍巖支護(hù)采用29U型架棚，棚梁、棚腿均由29U型鋼加工而成，棚腿間采用螺栓卡纜連接；棚高3 000 mm，棚間距為500 mm，棚間采用拉桿(D16 mm鋼筋)連接，在架棚后方原木背實(shí)。金屬網(wǎng)緊貼巷道壁，避免頂板及巷幫矸石冒落。

在架棚間采用錨桿、錨索增強(qiáng)圍巖支護(hù)強(qiáng)度，采用的錨桿、錨索規(guī)格分別為D22 mm×2 400 mm、D17.8 mm×6 000 mm，錨桿按照2-3-2間隔布置形式，間距分別為1 200 mm、2 400 mm，排距均為1 000 mm。在巷道中部按照2 000 mm間距布置1排錨索，具體錨桿、錨索布置見(jiàn)圖4。在支護(hù)橫斷面上錨桿及錨索間均采用鋼帶連接；巷幫不布置錨桿。

由于采空區(qū)破碎巖體以砂質(zhì)泥巖為主，為避免圍巖風(fēng)化，在架棚、錨桿(索)施工完成后即對(duì)巷道頂板及巷幫進(jìn)行噴漿，噴漿厚度控制在200 mm，混凝土強(qiáng)度在C20以上。噴漿在一個(gè)圓班內(nèi)完成，確保圍巖暴露時(shí)間在24 h以內(nèi)。

圖4 頂板錨桿索布置示意(mm)

4 注漿加固效果分析

在3205運(yùn)輸巷過(guò)采空區(qū)期間采用超前注漿方式對(duì)破碎巖體進(jìn)行加固，注漿漿液在采空區(qū)破碎巖體擴(kuò)展后形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體，從而使得原本破碎、松散的煤巖體膠結(jié)為強(qiáng)度以及穩(wěn)定性相對(duì)較高的整體，同時(shí)巷道掘進(jìn)后圍巖受力更趨平穩(wěn)。巷道在采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，迎頭未再出現(xiàn)漏頂、冒頂或片幫等情況;采用金屬網(wǎng)+架棚+錨桿(索)+表面噴漿方式可實(shí)現(xiàn)巷道圍巖有效控制，具體巷道掘進(jìn)過(guò)小煤窯采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)巷道斷面見(jiàn)圖5。

圖5 巷道現(xiàn)場(chǎng)

巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。從巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果得知，巷道圍巖變形量整體較小，其中頂板下沉量最大為53 mm；左右兩幫最大變形量分別為43 mm、69 mm。巷道底板主要為泥巖，強(qiáng)度以及承載能力較差，有一定底鼓顯現(xiàn)，但是底鼓量最大僅為73 mm，底鼓不會(huì)對(duì)巷道正常使用造成影響。

圖6 圍巖變形量監(jiān)測(cè)曲線圖

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 5503運(yùn)輸巷在掘進(jìn)至590～710 m范圍時(shí)會(huì)揭露小煤窯采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)巖體破碎、分布無(wú)規(guī)則、完整性以及強(qiáng)度較低，巷道在此范圍內(nèi)掘進(jìn)時(shí)面臨較大的冒頂、圍巖變形等問(wèn)題。

2) 提出通過(guò)超前注漿方式對(duì)采空區(qū)內(nèi)破碎、松散巖體進(jìn)行加固，為巷道掘進(jìn)及圍巖控制創(chuàng)造良好條件。通過(guò)綜合使用金屬網(wǎng)、架棚、錨桿(索)及表層噴漿方式對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行控制?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，巷道在采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)時(shí)未出現(xiàn)冒頂、片幫、漏頂?shù)惹闆r，巷道圍巖始終保持穩(wěn)定。