虎峰煤礦掘進工作面過空巷垮落區注漿加固技術

李韶鵬

（大同煤礦集團華盛虎峰煤業有限公司，山西 河津 043300）

1 工程概況

1.1 工作面概況

虎峰煤礦2-104 綜放工作面主采2#煤層，傾角為4°～8°，平均6°，煤層結構簡單，煤層厚度為3.5～5.5 m，平均4.5 m，局部煤層含1～2 層夾矸，厚度0.1～0.2 m，巖性為泥巖。煤層頂底板具體巖性情況見表1。

表1 煤層頂底板結構

2-104 工作面位于一采區軌道下山巷南西，北東為一采區專回、軌道、皮帶下山，南東為2-106回采工作面，北西為2-102 已采工作面，南西為井田邊界及船窩煤業有限公司。目前正在掘進2-1041巷，主要用于2-104 綜放工作面的進風、煤炭運輸及行人。巷道沿底板掘進，施工長度745.4 m，設計為梯形斷面，上寬3.6 m，下寬4.6 m，掘高2.8 m。2-1041 巷掘進中將揭露遺留的小窯廢棄巷道和巷采區，位于掘進巷道頂部或中部。煤層頂板因受小煤窯開采，大部分或局部已被破壞，頂煤易垮落，煤質松軟，壓力大，易引發冒頂事故。

1.2 空巷賦存特征

在2-1041 巷掘進工作面端頭布置探查孔，對掘進面前方區域的空區頂板垮落高度及沿掘進方向的垮落范圍進行探查，并結合鉆孔窺視儀進行分析。探查結果表明：掘進面前方為小窯開采后遺留的廢棄巷道和巷采區，且均已垮落，煤巖體破碎程度較高，其垮落高度在8～13 m 之間，影響范圍達到了110 m。

2 過空巷注漿加固技術[1-4]

2.1 注漿加固思路

通過超前預注漿，可以將掘進面前方破碎的煤巖體膠結起來，提高圍巖的完整性和自承載能力，隨著工作面的掘進持續進行帷幕注漿，保證巷道安全高效通過空巷區域。由于空巷采空區的垮塌范圍較廣，進行完全注漿加固將導致成本大幅增加，而巷道斷面相對較小，因此只需注漿加固巷道垂向上3～5 m 范圍內的破碎圍巖即可滿足需求。注漿加固示意圖如圖1。

圖1 注漿加固示意圖

為達到破碎圍巖的加固效果，采用高水灰比、早期強度高的注漿材料進行注漿。同時，注漿材料的終凝時間不應過長，以防止漿液擴散范圍超出需加固區域，造成材料的浪費。

2.2 注漿鉆孔布置

根據空巷賦存形態及垮落范圍，確定每循環注漿加固的深度為40 m，掘進30 m 后再進行下一循環的注漿施工。由于2-1041 巷掘進面前方空巷的影響范圍為110 m，因此需進行3 個“預注漿加固—掘進”的循環施工。

注漿鉆孔布置方案如圖2。在掘進面迎頭布置2 排注漿鉆孔，每排布置3 個鉆孔，鉆孔間距均為1100 mm，鉆孔排距為1200 mm，上排鉆孔距頂板800 mm，下排鉆孔距底板也為800 mm。具體鉆孔參數見表2。

圖2 注漿鉆孔布置（mm）

表2 注漿鉆孔參數

注漿施工時，打完一個鉆孔后立即進行注漿，再進行下一個鉆孔的鉆進及注漿。該作業方式一方面可以先對破碎圍巖進行預加固，有利于其他鉆孔的鉆進，另一方面可防止相鄰鉆孔裂隙的貫通而影響注漿效果。

2.3 鉆孔施工

由于空巷垮落區的圍巖松散破碎，采用常規鉆進方式極易出現卡鉆、退鉆機孔壁坍塌等現象，為保證注漿施工順利實施，決定采用分段成孔的工藝進行鉆孔施工。具體流程如下：

1）首先采用直徑為120 mm 的鉆頭鉆進，深度為300 mm，然后退鉆，并下入2 節1.5 m 長的套筒，并將耐壓強度為15 MPa 的高壓法蘭焊接在套筒外端。套筒示意圖如圖3。

圖3 套筒示意圖

2）連接法蘭盤，進行一次注漿，對孔口破碎圍巖進行加固，提高淺部圍巖完整性。

3）一次注漿后進行封孔0.5 h，隨后打開法蘭盤，采用直徑為75 mm 的鉆頭鉆進至設計深度。

4）鉆孔結束后，在孔內插入注漿管，進行破碎圍巖注漿加固。

2.4 注漿材料

采用新型無機注漿材料進行注漿加固，該材料由兩種成分組成，其離析率及泌水率低，漿液水灰比可以調節，調節范圍為0.8:1～1.5:1，漿液初凝時間也可以調節，范圍為10～24 min。其具體性能參數見表3。

表3 注漿材料性能參數

根據表3 的數據，漿液水灰比為0.8:1 時的初凝時間為10 min，終凝強度達到了18.3 MPa，不會大范圍擴散，且強度較高，但成本也較高；漿液水灰比為1.5:1 時的初凝時間為20 min，終凝強度達到了11.5 MPa，其成本雖然較低，但終凝強度不足，且初凝時間較長，不適用于小范圍注漿。因此，選擇漿液水灰比為1.0:1，其初凝時間為12 min，終凝強度可達15.8 MPa，其強度、凝結時間均能滿足注漿加固要求，且成本適中。

2.5 支護方案

根據圍巖性質、巷道斷面，確定巷道過空巷區域的支護形式為12#礦用工字鋼全斷面鋪六邊金屬網正梯形支護。棚距0.55 m（在壓力較大地段，根據實際情況棚距縮小至0.3 m），梁長3.3 m，棚腿長2.85 m。為防止頂板碎石垮落，保證架棚受力均勻，在工字鋼上方用木板背實空隙。

為提高巷道過空巷的掘進效率，在掘進前采用穿插鋼釬的方式構造人工假頂：鋼釬規格為Ф60 mm×1300 mm，在緊靠工作面迎頭第一架棚梁上方插5 根鋼釬，棚梁兩端距兩端的鋼釬間距為240 mm，鋼釬之間的間距為650 mm，施工角度為20°。鋼釬深入長度不小于750 mm，外露長度不得大于539 mm，且外露一端采用14#聯網絲與頂部金屬網連接。

3 工程實踐效果分析

為評價過空巷圍巖控制方案的效果，在巷道內布置測點，對過空巷期間巷道圍巖的位移情況進行了實時監測，監測結果如圖4。

圖4 巷道圍巖位移監測結果

由圖4 可知，巷道掘進過空巷初期圍巖位移量迅速增大，在15 d 后逐漸趨于穩定，穩定后巷道頂底板最大移進量為158 mm，兩幫最大移進量為90 mm，均在允許變形范圍內。另外現場觀測結果表明，巷道頂板完整性較好，頂板冒落情況也得到了明顯改善，表明該方案的圍巖控制效果較好。

4 結論

1）通過超前探查孔對2-1041 巷掘進面前方的空巷賦存特征進行了分析，得出前方空巷區煤巖體破碎程度較高，垮落高度在8～13 m 之間，影響范圍達110 m，為注漿加固方案的設計提供了依據。

2）根據空巷賦存特征及現場實際條件，對注漿加固的鉆孔布置、鉆孔施工、注漿材料等參數進行了設計，同時設計了巷道過空巷時的圍巖支護方案。

3）現場監測結果表明：巷道掘進過空巷期間頂底板最大移進量158 mm，兩幫最大移進量90 mm，巷道穩定性較好，保證了礦井的安全高效生產。