掘進(jìn)工作面過采空區(qū)破碎頂板加固

靳敏捷

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)通合煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

煤礦開采的前期工作需要采用對巷道進(jìn)行掘進(jìn)，在實際掘進(jìn)過程中本身巷道圍巖的平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致工作面巷道出現(xiàn)變形、松動甚至破壞的現(xiàn)象。因此，在對工作面巷道進(jìn)行掘進(jìn)時需采區(qū)基本必要的支護(hù)措施。除此之外，隨著工作面的掘進(jìn)可能存在過采空區(qū)的情況，由于采空區(qū)的平衡狀態(tài)已經(jīng)被打破，在該區(qū)域除了采用常規(guī)的支護(hù)方案外，一般采用注漿加固的方案對其頂板進(jìn)行加固[1]。

1 注漿加固機(jī)理

山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)通合煤業(yè)有限公司2103 運輸順槽掘進(jìn)工作面高3.2 m，寬4 m，全巷道采用鋼棚支護(hù)。現(xiàn)工作面掘進(jìn)至150 m 時，遇老窯采空區(qū)，掘進(jìn)工作面全斷面為破碎狀態(tài)，垮落碎石無規(guī)則分布，斷面底部為1 m 多浮煤。為預(yù)防掘進(jìn)巷繼續(xù)推進(jìn)出現(xiàn)冒頂問題，保證安全有序推進(jìn)，現(xiàn)擬對此工作面迎頭區(qū)域進(jìn)行注漿加固。

所謂注漿加固指的是，采用相關(guān)的注漿設(shè)備將相應(yīng)比例的漿液通過滲透、劈裂、壓密等手段將其加入需要加固的介質(zhì)中。在漿液的作用下能夠提升介質(zhì)的整體承受能力，保證了介質(zhì)的整體性。注漿加固的主要機(jī)理為漿液能夠?qū)⒔橘|(zhì)相對薄弱的部分重新膠結(jié)起來，從而實現(xiàn)對介質(zhì)物理力學(xué)性能改善的目的[2]。在注漿加固的基礎(chǔ)上能夠減少后期的支護(hù)成本，提升介質(zhì)的整體支護(hù)效果。

2 注漿加固方案的設(shè)計

在對2103 運輸順槽掘進(jìn)工作面實際情況詳細(xì)掌握的基礎(chǔ)上，結(jié)合注漿加固的機(jī)理，本節(jié)針對性的完成注漿材料和漿液的配比，同時完成具體注漿參數(shù)設(shè)計。

2.1 注漿材料及漿液配比

結(jié)合現(xiàn)場情況綜合分析，選用山西凝固力新型材料股份有限公司生產(chǎn)的煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料（JG PU·SixOy）（以下簡稱凝固力—加固材料）及2ZBQ-8/10 立體型氣動高壓雙液注漿泵設(shè)備。

此次注漿加固采用2ZBQ-8/10 立體型氣動高壓雙液注漿泵，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 2ZBQ-8/10 立體型氣動高壓雙液注漿泵技術(shù)參數(shù)表

2.2 注漿方案的確定

擬在工作面頂板酥軟破碎處布置一排鉆孔，鉆孔深度為4.0 m，角度為斜向頂板30°，孔間距1.5 m，即幫孔距離兩幫0.5 m 處，斜向巷道兩幫10°，中間孔斜向頂板30°，開孔位置在頂板下方1 m 處。因頂板比較破碎，此次鉆孔采用中空麻花鉆桿打孔注漿，單孔注漿量原則上不少于60 桶，預(yù)計總量為5 t。單孔注漿量以注漿壓力及煤壁返漿情況為終止注漿標(biāo)準(zhǔn)[3]。孔距、孔深、鉆孔角度及單孔注漿量可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行調(diào)整（如圖1 所示）。

圖1 注漿鉆孔平面示意圖（mm）

2.3 注漿參數(shù)設(shè)計

注漿關(guān)鍵參數(shù)包括有注漿壓力、擴(kuò)散半徑、注漿歷時以及注漿順序等。

1）注漿壓力的確定。因為目前我們所使用的化學(xué)漿液屬于真濁液，其粘度低、粒徑小、滲透性強，較水泥等懸濁液所需的注漿壓力要小的多。一般注漿壓力為2～8 MPa。目前我公司的氣動注漿泵（2ZBQ-8/10）最大注漿壓力可達(dá)21 MPa。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，施工地點供風(fēng)能力不低于3 m3/min，供風(fēng)壓力不小于0.5 MPa，注漿壓力不小于4 MPa。

2）擴(kuò)散半徑的確定。布孔間距和注漿壓力是漿液擴(kuò)散半徑的主要因素。受裂隙展布影響，漿液在被注漿體中在各個方向的擴(kuò)散距離并非均勻的，其與注漿煤巖體孔隙、注漿壓力和注漿材料性能密切相關(guān)。通過施工人員的經(jīng)驗積累，漿液在普通裂隙開度和孔隙率下的擴(kuò)散半徑約為1～1.5 m。

3）注漿歷時。化學(xué)漿液的注漿歷時主要取決與不同類型材料的膠凝時間。從目前現(xiàn)有的注漿材料特性及現(xiàn)場注漿經(jīng)驗積累來看，從開始注漿到漿液完全擴(kuò)散或滲透到被注載體中所需要的時間為一般為10～20 min。

4）注漿順序。注漿順序根據(jù)地質(zhì)條件、現(xiàn)場環(huán)境及注漿目的來確定。對于裂隙溝通比較好的煤巖體可采用間隔跳孔注漿方式，來減少串漿，提高注漿效果；對于大面積范圍應(yīng)采用先外圍，后內(nèi)部的注漿順序；對于破碎煤柱整體加固可采用深淺孔配合注漿方式；對于裂隙比較發(fā)育，跑冒漿液比較嚴(yán)重的注漿載體，可采用先淺部注漿，漿液擴(kuò)散后在淺部快速形成類似“止?jié){墻”的具有止?jié){效果的整體煤體，再深部注漿，保證深部漿液擴(kuò)散范圍和注漿壓力[4]。

2.4 注漿工藝設(shè)計

注射凝固力加固材料具有以下優(yōu)點：

1）工藝簡單，操作簡便。多功能注漿泵體積小，重量輕，壓風(fēng)作動力源。正常操作兩人即可（一人連接、拆卸槍頭，觀察巷道頂幫返漿情況；一人操作注漿泵，觀察注射泵的運轉(zhuǎn)情況）。

2）專用封口器的設(shè)計合理。封口器一端有爆破閥，當(dāng)漿液壓力達(dá)一定值時，將爆破閥沖開，漿液便經(jīng)注漿管注入巖層。較其他方法封口簡單、省時、高效。

圖2 注漿工藝示意圖

3 注漿加固效果評估

為驗證工作面過采區(qū)頂板的注漿加固效果，將掘進(jìn)工作面過采區(qū)區(qū)域的分為兩部分，其中一部分開展的注漿加固，另一部分為采用注漿加固，對兩部分區(qū)域?qū)嶋H掘進(jìn)過程中頂板的位移量進(jìn)行監(jiān)測，并統(tǒng)計得出如表2 所示的數(shù)據(jù)。

表2 注漿效果對比

如表2 所示，對工作面過采區(qū)區(qū)域采區(qū)注漿加固后頂板與漿液結(jié)膠為整體，頂板的整體性和圍巖穩(wěn)定性得到提升，在掘進(jìn)過程中頂板下沉的垂直位移與未注漿明顯減少。

4 結(jié)語

工作面在掘進(jìn)過程中由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性在常規(guī)支護(hù)手段的基礎(chǔ)上還需采用特殊的加固措施。2103 運輸順槽掘進(jìn)工作面在掘進(jìn)過程中遇到采空區(qū)的問題，本文主要對其頂板進(jìn)行注漿加固。所采用的注漿材料為煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料（JG PUSixOy），漿壓力不小于4 MPa、擴(kuò)散半徑約為1.0～1.5 m、注漿歷時為10～20 min。實踐表明，經(jīng)對掘進(jìn)工作面采區(qū)注漿加固后漿液和頂板結(jié)膠為整體，下沉量也明顯減少。