受采動(dòng)影響護(hù)巷窄煤柱注漿加固技術(shù)研究

李 勇

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程背景

某礦現(xiàn)主采3#煤層，煤層均厚5.75m，平均傾角3°，煤層直接頂和直接底均為強(qiáng)度較低的砂質(zhì)泥巖。為滿足工作面回采的需求，布置多條巷道，各巷間留設(shè)的煤柱寬度為6m。工作面向前推進(jìn)過程中，受超前支承壓力的影響，與支架相接觸的頂煤破碎、垮落現(xiàn)象嚴(yán)重。在現(xiàn)場(chǎng)礦壓實(shí)測(cè)知，受老頂超前破斷影響，在煤壁前方3～5m內(nèi)支承壓力達(dá)到峰值，回采巷道巷幫煤體發(fā)生片幫現(xiàn)象，支架后部載荷超過前部。隨著懸頂距離增加，老頂在工作面前方發(fā)生破斷，并以前方煤體為支撐點(diǎn)發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，從而導(dǎo)致煤壁片幫、支架工作阻力增加等來壓現(xiàn)象。由于該工作面巷道間煤柱尺寸留設(shè)較小，Ⅲ4309工作面回采過程中礦壓顯現(xiàn)劇烈，為滿足生產(chǎn)需求，需采取注漿加固手段以提高煤柱強(qiáng)度。針對(duì)回采巷道不同使用需求，采取分次注漿加固的方式，第一次注漿位置選擇在Ⅲ43093巷超前支護(hù)段，超前于回采工作面20～40m距離，以滿足回采的需求；第二次注漿位置選擇在Ⅲ43092巷內(nèi)滯后于工作面50～100m范圍內(nèi)，以防止工作面后方殘余支承壓力和采空側(cè)懸臂結(jié)構(gòu)對(duì)煤柱強(qiáng)度的影響，以滿足留巷的需求。

2 注漿加固方案

2.1 注漿孔的布置

工作面回采巷道根據(jù)施工的不同，可分為留頂煤沿底掘進(jìn)巷道、留底煤沿頂掘進(jìn)巷道及頂?shù)走^渡段三種類型，針對(duì)不同巷道類型，制定不同的注漿加固方案。

1）沿底掘進(jìn)巷道注漿孔布置。試驗(yàn)段長(zhǎng)度為25m，采用雙排孔“三花”布置，上排鉆孔距離巷道頂板1m，下排鉆孔距離巷道底板1.2m，上下兩排鉆孔間垂距為1m，各孔間水平距離為6m，所施工鉆孔直徑為42mm，孔深為4.5m，如圖1所示。上排鉆孔仰角為30°斜向上布置，鉆孔垂深為3.9m，如圖2（a）所示；為增加煤柱下部的承載段長(zhǎng)度，下排鉆孔施工時(shí)，仰角為0°，與水平方向呈20°斜向工作面方向布置，鉆孔垂深為4.2m，如圖2（b）所示。

圖1 沿底掘進(jìn)注漿鉆孔布置示意圖

圖2 沿底掘進(jìn)注漿鉆孔布置俯視圖

2）沿頂掘進(jìn)巷道注漿孔布置。沿頂掘進(jìn)試驗(yàn)段長(zhǎng)度為45m，采用與沿底掘進(jìn)巷道相同的布孔方式，分上下兩排“三花”布置，上排孔距離巷道頂板1m，下排孔距離巷道底板1.2m，上下兩排鉆孔間垂距為1m，各孔間水平距離為6m，鉆孔直徑為42mm，孔深為4.5m，如圖3（a）所示。上排鉆孔仰角為15°斜向上布置，鉆孔垂深為4m；下排鉆孔仰角為0°，與水平方向呈20°斜向工作面切眼布置，如圖3所示。

圖3 沿頂掘進(jìn)注漿鉆孔布置示意圖

3）過渡段注漿加固方案。過渡段長(zhǎng)度共計(jì)30m，根據(jù)其層位不同，分為上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)，各占一半，上半?yún)^(qū)采用與沿頂掘進(jìn)段相同的布孔方式，下半?yún)^(qū)采用與沿底掘進(jìn)段相同的布孔方式，如圖4所示。在具體現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，注漿鉆孔施工位置及孔間距可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤柱幫錨桿（索）布置情況進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。為了防止注漿鉆孔間出現(xiàn)漿液串孔現(xiàn)象的發(fā)生，可采取隔孔注漿方式，先施工兩邊鉆孔，兩邊鉆孔注漿加固完成后再進(jìn)行中間鉆孔的補(bǔ)打工作。

圖4 過渡段區(qū)域示意圖

2.2 注漿時(shí)機(jī)及注漿孔施工

注漿加固方式及時(shí)機(jī)選擇要綜合考慮采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)情況及煤體節(jié)理裂隙發(fā)育情況而綜合確定，注漿區(qū)域煤體應(yīng)相對(duì)完整并具有一定的承載能力。若煤體節(jié)理裂隙發(fā)育嚴(yán)重，則可能導(dǎo)致注漿孔內(nèi)漏液嚴(yán)重；若煤體強(qiáng)度很低，則鉆孔可能導(dǎo)致煤柱出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。第一次注漿選取在Ⅲ43093巷超前支護(hù)段，超前于回采工作面20～40m距離；第二次注漿選擇在Ⅲ43092巷內(nèi)滯后于工作面50～100m范圍內(nèi)。

現(xiàn)場(chǎng)施工中，第一次注漿位置為超前工作面40m處，鉆孔施工完成后進(jìn)行插管工作，注漿管由射漿管和封孔管兩部分組成，射漿管位于鉆孔內(nèi)部，其長(zhǎng)度為2000mm，材質(zhì)為鍍鋅鋼管，在鋼管上布置孔徑為5mm、間距為100mm的射漿孔；通過4分直接頭將封孔管安裝在射漿管后端，其長(zhǎng)度同樣為2000mm，在管體纏繞鐵絲并點(diǎn)焊，以便于封孔時(shí)纏繞棉紗，如圖5所示。

圖5 注漿管示意圖

煤柱注漿加固施工完成后還計(jì)劃在巷道表面進(jìn)行噴漿，此措施可有效防止注漿后漏液現(xiàn)象的發(fā)生，因此將封孔長(zhǎng)度減小為0.8～1m，同時(shí)在封孔管兩端纏繞鐵絲點(diǎn)焊處纏繞棉紗，封孔工作完成后，注入封孔液，等漿液凝結(jié)20min后，可進(jìn)行注漿工作，如圖6所示。

在進(jìn)行第二次注漿時(shí)，小煤柱已受到工作面回采動(dòng)壓的影響，較第一次注漿時(shí)，煤柱內(nèi)部圍巖裂隙較為發(fā)育，同時(shí)為避開工作面殘余支承壓力的影響，將鉆孔注漿工作滯后于回采工作面50m時(shí)進(jìn)行，具體施工作業(yè)同第一次注漿。

圖6 封孔注漿示意圖

2.3 注漿系統(tǒng)及參數(shù)

1）注漿系統(tǒng)。為制備兩種漿液，該注漿系統(tǒng)有2個(gè)攪拌桶和2個(gè)成漿桶，雙液注漿泵通過2根吸漿管和2根出漿管，并經(jīng)四通混合器，制備成混合漿液。

圖7 注漿系統(tǒng)連接示意圖

2）注漿材料。注漿材料選擇聯(lián)邦雙液新型注漿加固材料，該材料主要選用無(wú)機(jī)礦粉作為原材料，具有凝結(jié)速度快、早期凝結(jié)強(qiáng)度高的特點(diǎn)，同時(shí)漿液流動(dòng)性好，便于輸送，進(jìn)入煤體后粘結(jié)性能很好，較普通硅酸鹽注漿材料其性能有很大程度的提升。漿液與水混合后，在6h內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)泌水、凝固和沉淀等現(xiàn)象；而當(dāng)雙液混合后，會(huì)在3～10min內(nèi)發(fā)生凝結(jié)，8h內(nèi)其強(qiáng)度可達(dá)到8～15MPa。經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)水灰比為0.8時(shí)，2h 內(nèi)強(qiáng)度為 12.3MPa，4h 內(nèi)為 14.1MPa，3d 后強(qiáng)度為 16.1MPa；當(dāng)水灰比為 1時(shí)，2h內(nèi)強(qiáng)度為9.6MPa，4h 內(nèi)為 10.8MPa，3d 后強(qiáng)度為 13.1MPa；當(dāng)水灰比為 1.3時(shí) ，2h內(nèi) 強(qiáng) 度 為 6.8MPa，4h內(nèi) 為7.2MPa，3d后強(qiáng)度為8.6MPa。該種注漿材料對(duì)于掘進(jìn)及采煤等對(duì)注漿加固要求較高的區(qū)域有很好的適應(yīng)性，尤其適宜于淺部注漿加固。基于上述分析，考慮到巷道分兩次注漿工作，初次注漿時(shí)煤柱完整性較好，因此選擇較大的水灰比（1～1.2）：1；二次注漿時(shí)煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育，因此選擇較小的水灰比（0.8～1）：1。

3）注漿壓力。確定合理的注漿壓力時(shí)，既要考慮漿液能夠有效滲入圍巖裂隙，同時(shí)需考慮圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育情況，參考同類工程實(shí)踐，可將注漿壓力控制在6～8MPa，若出現(xiàn)較為嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象時(shí)，可將注漿壓力降低。為取得良好的注漿效果，注漿工作持續(xù)進(jìn)行，直至漿液不再進(jìn)入煤體為止。

4）施工安全技術(shù)措施。漿液在注入的過程中，難免會(huì)出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)該情況時(shí)，需立刻將注漿泵叫停，或者減小漿液流量及速度，注漿泵的停止時(shí)間應(yīng)控制在3min內(nèi)，每隔3min將其開啟，活塞往返運(yùn)動(dòng)2次后停泵，重復(fù)幾次，直至已注入孔內(nèi)裂隙的漿液形成強(qiáng)度，此后再將泵開啟。若煤體內(nèi)裂隙較大，漏液現(xiàn)象較為嚴(yán)重，則可輔以棉紗對(duì)漏液處進(jìn)行封堵，對(duì)漏液進(jìn)行防治。

2.4 注漿加固效果分析

在100m注漿加固試驗(yàn)段內(nèi)共計(jì)施工注漿鉆孔46個(gè)，對(duì)加固后的煤柱鉆孔進(jìn)行窺視，窺視結(jié)果如圖8所示，由圖可知，注漿加固后圍巖內(nèi)部裂隙得到很好地封閉，完整性大大提高，加固效果良好。

圖8 注漿后鉆孔窺視圖

同時(shí)對(duì)工作面回采過程中兩條巷道圍巖變形進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果表明：在未受到工作面回采動(dòng)壓影響時(shí)，巷道頂?shù)装逡平吭?0mm以內(nèi)；在回采動(dòng)壓影響下，頂?shù)装逡平块_始增加，距離工作面越近，礦壓現(xiàn)象約明顯，頂?shù)装逡平孔畲笾禐?30mm；當(dāng)工作面推進(jìn)過后，圍巖變形逐漸趨于緩和。

兩幫移近量變化以43092巷為例，在工作面回采初期，兩幫移近量較小，未超過20mm；當(dāng)工作面回采過后，兩幫移近速度及移近量快速增加；隨著工作面的遠(yuǎn)離，兩幫的收斂變形又開始趨于趨于而穩(wěn)定，整個(gè)回采過程中，兩幫移近量控制在350mm。

3 結(jié) 論

1）針對(duì)回采巷道不同使用需求，采取分次注漿加固的方式，第一次注漿位置選擇在Ⅲ43093巷超前支護(hù)段，超前于回采工作面20～40m距離，以滿足回采的需求；第二次注漿位置選擇在Ⅲ43092巷內(nèi)滯后于工作面50～100m范圍內(nèi)，以防止工作面后方殘余支承壓力和采空側(cè)懸臂結(jié)構(gòu)對(duì)煤柱強(qiáng)度的影響，以滿足留巷的需求。

2）工作面回采巷道根據(jù)施工的不同，可分為留頂煤沿底掘進(jìn)巷道、留底煤沿頂掘進(jìn)巷道及頂?shù)走^渡段三種類型，針對(duì)不同巷道類型，制定不同的注漿加固方案。

3）對(duì)加固后的煤柱鉆孔進(jìn)行窺視，注漿加固后圍巖內(nèi)部裂隙得到很好地封閉，完整性大大提高，加固效果良好。