超高水材料老巷注漿加固技術(shù)的研究和應(yīng)用

董小娟

（1.國家能源充填采煤技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；3.河北充填采礦技術(shù)有限公司，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概 況

東龐礦西龐井為立井開拓，采用走向長壁區(qū)域后退式綜采放頂煤、全部垮落法控制頂板采煤法，目前礦井正在開采9302 工作面。9302 工作面中部原設(shè)計(jì)有1 條巷道用于上部工作面的泄水巷使用，隨著工作面的推進(jìn)，9302 工作面即將通過老巷，若采用常規(guī)支護(hù)，不僅維修加固勞動(dòng)強(qiáng)度大，還有可能使其內(nèi)部存在的有毒有害氣體溢出，為此必須對(duì)老巷采取措施，進(jìn)行注漿充填加固，否則將影響礦井的正常生產(chǎn)。

2 存在的問題

9302 工作面老巷與工作面上下兩巷呈44°夾角，巷道長128 m，上端頭與下端頭高差3.4 m，坡度約1.5°，上端頭與下端頭標(biāo)高分別為-290.3 m、-293.7 m，中間段標(biāo)高為-289.5 m，巷道整體走向呈上凸的趨勢(shì)。該老巷曾作為上鄰工作面的泄水巷使用，巷道受水浸泡后煤體強(qiáng)度降低、錨索銹蝕較為嚴(yán)重，巷道又受到上鄰工作面采動(dòng)影響，經(jīng)初步探查巷道上端頭已冒落、部分中間段和下端頭也已冒頂。若采用常規(guī)人工維修再支護(hù)，不僅安全得不到保障，而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工期耗時(shí)長。為此，決定采用超高水材料對(duì)工作面老巷進(jìn)行注漿充填。

3 方案選擇

針對(duì)工作面老巷現(xiàn)狀，提出2 種解決方案。

3.1 方案（1）

常規(guī)人工維修支護(hù)方案。該方案先對(duì)老巷兩側(cè)密閉內(nèi)氣體進(jìn)行檢測(cè)，排出密閉內(nèi)有毒有害氣體，然后把老巷兩邊密閉打開，根據(jù)巷道內(nèi)具體情況進(jìn)行整修。若巷道內(nèi)頂幫支護(hù)情況破壞嚴(yán)重，還需對(duì)巷道頂幫進(jìn)行維修，為保證回采安全，必須在巷道打兩排順巷棚子。這種支護(hù)方案不僅安全得不到保障，而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工期耗時(shí)長、經(jīng)濟(jì)也不合理。

3.2 方案（2）

超高水材料注漿加固充填方案。該方案是在不啟封密閉的情況下在巷道兩側(cè)打設(shè)注漿孔，然后安裝注漿管，對(duì)巷道進(jìn)行注漿即可，該方案操作性較強(qiáng)，不僅能防止常規(guī)方案中啟封密閉時(shí)帶來的不安全問題發(fā)生，還可以使工人勞動(dòng)強(qiáng)度變小、工期短、成本可控性好。

針對(duì)以上諸多優(yōu)點(diǎn)，選擇方案（2）。

4 充填施工方案

4.1 施工方案

為實(shí)現(xiàn)綜放工作面安全開采，保證在回采工作面超前支承壓力作用下，空巷頂板不發(fā)生冒落，將需充填的空間充滿、保證接頂。

（1） 充填體有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，有效支撐頂板，且后期在壓力作用下可以有較大的塑性變形。

（2） 快速充填，減少充填施工時(shí)間。

（3） 充填工藝簡單，充填系統(tǒng)易于操作。

采用超高水材料充填空巷可以滿足以上要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，參考以往的工程實(shí)踐，綜合考慮井下施工條件、工作面超前支承應(yīng)力的作用效果、漿液固結(jié)強(qiáng)度及材料消耗等因素，確定漿液的水灰比為5∶1，每噸材料可充填體積約5 m3，凝結(jié)體終強(qiáng)0.9 ～1.1 MPa。

分次充填：打鉆填充前首先分別在9302 軌道巷下幫和9302 皮帶巷上幫5 m 處沿頂打設(shè)放水孔1個(gè)，安設(shè)放水閥門。其次，在距9302 老巷巷口以外軌道巷下幫打設(shè)4 組注漿孔，開孔位置分別為距老巷巷口10、15、23.5、40 m，底板以上1.3 m 位置，終孔位置與老巷頂部貫穿，貫穿后安裝2 寸管用于注漿；在距老巷巷口以里皮帶巷上幫同樣打設(shè)4 組注漿孔，開孔位置分別為距老巷巷口10、20、30、40 m，底板以上1.3 m 位置，終孔位置與老巷頂部貫穿，貫穿后安裝2 寸管用于注漿，待普通硅酸鹽水泥與粉煤灰混合料填充完畢后，對(duì)9302 老巷巷外段上、下各6 m 的范圍內(nèi)充填改性超高水材料，具體為距老巷口以外軌道巷下幫打設(shè)2 組注漿孔，開孔位置分別為距9302 老巷口6 m、7 m，底板以上1.3 m 位置，終孔位置與老巷頂部貫穿，貫穿后安裝2 寸管用于注漿；在距9302 老巷口以里9302 皮帶巷下幫打設(shè)2 組注漿孔，開孔位置分別為距9302 老巷口6 m、7 m，底板以上1.3 m 位置，終孔位置與老巷頂部貫穿，貫穿后安裝2 寸管用于注漿。巷道注漿管路布置示意圖如1 所示。

圖1 巷道注漿管路布置示意Fig.1 Layout of roadway grouting pipeline

4.2 充填材料、工藝與系統(tǒng)

超高水材料分A、B 料2 部分，按1∶1 的比例配合使用，需要分別加水?dāng)嚢栎斔停诔涮铧c(diǎn)混合，A、B 料單獨(dú)攪拌、輸送均不凝固，混合后能快速凝固。利用粉煤灰、黃土對(duì)超高水材料進(jìn)行改性，經(jīng)過大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在超高水材料A、B料中分別摻加20%～30%的粉煤灰或黃土，超高水材料強(qiáng)度和流動(dòng)性沒有較大改變，但材料固結(jié)體在相同的壓力條件下壓縮率出現(xiàn)明顯降低，改性后的超高水材料能夠更好的滿足井下老巷充填的需要，同時(shí)也降低了充填的成本。充填工藝系統(tǒng)：利用地面已有的泥漿攪拌池分別攪拌A 料、B 料漿液，再將攪拌好的2 種料漿分別在地面注漿站，經(jīng)灌漿泵及高壓輸漿管路輸送到9302 軌道巷注漿孔口，在孔口混料器混合并經(jīng)注漿孔注入封閉的空巷后凝固，如圖2 所示。

圖2 注漿設(shè)備配置示意Fig.2 Grouting equipment configuration

4.3 充填施工及要求

（1） 充填施工前，由專人進(jìn)行充填站、輸漿管路與壓力表、混料器及充填孔、密閉墻等全面檢查，檢查合格后及時(shí)向充填站工作人員聯(lián)系，開始制漿充填。充填點(diǎn)人員觀察出料口均勻流出A、B 混合料漿后，將混合管與充填孔聯(lián)接進(jìn)行正式充填。

（2） 在充填過程中，應(yīng)巡回檢查周邊情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。每一班充填結(jié)束后或暫時(shí)中斷充填時(shí)，需要認(rèn)真清洗設(shè)備和管路。

（3） 嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)順序充填。

（4） 充填過程中觀察A、B 兩種漿液的吸入量，保證等量吸漿，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求配比，嚴(yán)禁工人隨意加水加料。

（5） 在混料器附近的上游A、B 料兩趟管路上分別安設(shè)1 臺(tái)壓力表，充填過程中時(shí)刻關(guān)注壓力表讀數(shù)，2 趟管路壓力表讀數(shù)相同或接近時(shí)可正常注漿，若2 臺(tái)壓力表讀數(shù)相差較大，必須立刻報(bào)告注漿站停止注漿，查明原因進(jìn)行處理。

（6） 充填區(qū)段在充填接頂后，必須再帶壓充填一段時(shí)間，保證接頂。

（7） 每24 h 要用清水沖洗一次管路，每次停泵或充填結(jié)束后，必須認(rèn)真清洗充填設(shè)備和管路。

5 注漿加固改造效果

（1） 超高水材料的研究與應(yīng)用。

綜合考慮工作面老巷井下施工條件、工作面超前支承應(yīng)力的作用效果、漿液固結(jié)強(qiáng)度及材料消耗等因素，利用材料便利，對(duì)超高水材料進(jìn)行性能改進(jìn)，通過試驗(yàn)綜合分析計(jì)算，對(duì)注漿工藝、注漿參數(shù)及材料進(jìn)行優(yōu)化，選擇出與之匹配的注漿材料配比，使煤體與漿液固結(jié)后，接近煤體強(qiáng)度，保證了開采效率和安全系數(shù)，達(dá)到了預(yù)期效果。

（2） 超高水材料地面注漿充填設(shè)備及工藝系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。

在工作面老巷采用充填加固技術(shù)，采用地面配料攪拌、井下封閉巷道鉆孔注漿的新型注漿工藝系統(tǒng)，鉆孔扇形布設(shè)，使?jié){液充分充填于老巷空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了空巷充填。將冒落的煤巖體膠結(jié)，使老巷內(nèi)部形成一定強(qiáng)度的加固拱,有效地控制了破碎頂板的垮落，且施工工藝簡單。

（3） 超高水材料老巷注漿加固對(duì)巷道影響的研究。

9302 工作面老巷充填后將冒落的煤巖體膠結(jié)，使老巷內(nèi)部形成一定強(qiáng)度的加固拱,有效地控制了破碎頂板的垮落，且杜絕了老巷內(nèi)瓦斯涌出和自然發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié) 語

超高水材料老巷注漿充填加固技術(shù)在9302 工作面的研究和應(yīng)用，在頂板方面，解決了利用傳統(tǒng)支護(hù)中的耗時(shí)、耗工、耗料且存在頂板冒落的安全問題，既充填了冒落空間，又使老巷內(nèi)冒落煤體通過漿液粘結(jié)加固后，接近煤體強(qiáng)度，簡化了采煤工藝，降低了開采風(fēng)險(xiǎn)；在“一通三防”方面，通過注漿加固，杜絕了老巷漏風(fēng)問題，降低了自然發(fā)火的可能性；在防治水方面，通過注漿加固，減少了對(duì)底板擾動(dòng)破壞，降低了突水風(fēng)險(xiǎn)。采用超高水充填材料注漿加固技術(shù)可取得較大的經(jīng)濟(jì)和安全效益，為其他礦山治理老巷空區(qū)提供了一種安全可靠的新技術(shù)。