殘煤復(fù)采工作面充填注漿過空巷技術(shù)研究與應(yīng)用

王緒昇

（山西新景礦煤業(yè)有限公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

某礦為兼并重組礦井，礦井在兼并重組前采用送巷擴(kuò)幫式的巷柱式開采方法，致使存在著大巷的遺留煤柱。1301工作面為復(fù)采工作面，主采3#煤層，煤層均厚6.60m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚4.66m，基本頂為細(xì)砂巖，均厚8.20m，工作面設(shè)計(jì)采高1.5m，工作面在掘進(jìn)準(zhǔn)備期間揭露35條空巷，舊采取采區(qū)巷道的寬度一般為2～3m，高度一般為2.5m，以木支護(hù)為主要的支護(hù)方式，現(xiàn)為保證1301復(fù)采工作面回采期間的安全，決定采用空巷預(yù)充填技術(shù)來保證1301復(fù)采工作面安全通過空巷區(qū)域。

2 充填注漿過空巷機(jī)理

針對該礦3#煤層舊采取遺留空巷多、存在大量冒落區(qū)的特點(diǎn)，決定選用超高水充填材料作為空巷的主要充填材料，并對空巷區(qū)域采取不完全分層注漿充填的方式，在不同層位進(jìn)行充填作業(yè)時(shí)應(yīng)采取不同濃度的超高水充填材料，將在采煤機(jī)截割高度范圍內(nèi)的充填體稱為截割層，將位于截割層以上用于充當(dāng)煤層假頂?shù)某涮铙w稱為承載層，具體1301復(fù)采工作面回采前充填注漿結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 回采前充填注漿結(jié)構(gòu)示意圖

超高水充填材料與破碎圍巖間相互膠結(jié)形成的充填體能夠整體上提高圍巖體的強(qiáng)度，從松軟破碎圍巖體的破壞機(jī)理、漿液加固以及圍巖體的力學(xué)性能方面進(jìn)行分析，能夠大致將松軟破碎圍巖充填注漿加固的力學(xué)機(jī)理大致分為4個(gè)方面，基本如下：

1）漿液在外力作用下進(jìn)入到巖體裂隙內(nèi)后，會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)反應(yīng)固結(jié)，從而在圍巖中形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)[1-2]，提升了巷道圍巖體的整體性與承載能力。

2）注漿能夠改善巖體內(nèi)弱面的力學(xué)性能，由于漿液具有很高的黏結(jié)性，當(dāng)其進(jìn)入到巖體的裂隙面后能夠有效的提高破裂面的摩擦阻力，提高巖體的強(qiáng)度[3-4]。

3）漿液進(jìn)行圍巖裂隙中后會(huì)對圍巖體形成隔絕層，阻止空氣對巖體的風(fēng)化作用及水對巖體的軟化作用，以此保障巷道圍巖的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)巷道的長期穩(wěn)定。

4）根據(jù)斷裂力學(xué)觀點(diǎn)可知，當(dāng)巖體內(nèi)存在有軟弱結(jié)構(gòu)面和裂隙時(shí)，此時(shí)巖體在受力時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中的程度取決于裂隙長度、裂隙端部半徑及巖體尺寸等。巷道圍巖進(jìn)行注漿加固后能夠?qū)⒘严陡浇鼛r體由二向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三向受力狀態(tài)，從而減小應(yīng)力集中系數(shù)，改善了巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，基于此可知注漿加固能夠有效的轉(zhuǎn)變巖體的破壞機(jī)制和提高巷道圍巖的強(qiáng)度。

3 充填注漿方案

3.1 方案設(shè)計(jì)

充填注漿工藝。為提高被注區(qū)域的整體強(qiáng)度和漿液的利用率，保證充填注漿效果，本次充填注漿施工采用分層遞進(jìn)多輪注漿的施工方法，即針對充填承載層和截割層分別進(jìn)行注漿作業(yè)，通過采用封堵墻的方式對不同的注漿區(qū)域進(jìn)行劃分，由外及里的進(jìn)行多輪注漿作業(yè)，具體分層注漿形式如圖2所示，多輪注漿形式和注漿順序如圖3所示。

針對1301工作面空巷的具體情況，對截割層和充填承載層采用不同濃度的高水充填材料進(jìn)行充填注漿作業(yè)，，對于冒落區(qū)在煤壁1m高的位置處打設(shè)2個(gè)注漿鉆孔，一個(gè)鉆孔打設(shè)到截割層2m的高度處，另一個(gè)注漿孔打設(shè)到承載層4.5m的高度處，具體鉆孔形式如圖2所示，利用冒落區(qū)破碎圍巖與漿液之間的膠結(jié)作用，來提升破碎圍巖的整體承載能力。

圖2 分層注漿示意圖

圖3 多輪推進(jìn)注漿示意圖

在進(jìn)行多輪推進(jìn)注漿作業(yè)過程中，為防止出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象的出現(xiàn)，在1201和1201巷道的煤壁處設(shè)置2m的封堵墻，以此在不同區(qū)域間形成隔離板，保證注漿效果，具體注漿作業(yè)時(shí)依據(jù)劃分的不同注漿區(qū)域依次進(jìn)行注漿作業(yè)，在注漿過程中應(yīng)先對首輪注漿區(qū)域進(jìn)行注漿作業(yè)，在首輪注漿區(qū)域注漿作業(yè)完成并固結(jié)后在對次輪區(qū)域進(jìn)行注漿作業(yè)，最后進(jìn)行待注區(qū)域的注漿作業(yè)。

3.2 充填注漿參數(shù)

3.2.1 超高水充填材料水灰比

根據(jù)分層注漿和分區(qū)域注漿的特點(diǎn)，根據(jù)漿液的試驗(yàn)研究表明當(dāng)超高水材料的水灰比為5：1時(shí)，此時(shí)漿液的凝結(jié)時(shí)間較短、流動(dòng)性差漿液凝固后的強(qiáng)度高，故確實(shí)選用封堵層的水灰比為5：1；對于充填承載層，其作用主要為降低冒落的矸石對工作面的影響，要求其強(qiáng)度大于2MPa，據(jù)此根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定承載層超高水材料的水灰比為6：1；對于截割層，其作用主要為保證采煤機(jī)能夠進(jìn)行連續(xù)的割煤作業(yè)，以此避免支架過空巷時(shí)的出現(xiàn)受力不均勻的情況，基于此分析得到該區(qū)域漿液固結(jié)后的強(qiáng)度大于1.5MPa即可，基于此確定截割層的超高水充填材料的水灰比為7∶1。

3.2.2 注漿壓力

注漿壓力主要由注漿材料的性能、滲透范圍及圍巖的滲透性等因素確定，在進(jìn)行封堵層的注漿作業(yè)時(shí)，由于該層厚度僅為2m，漿液的擴(kuò)散半徑較小，故確定封堵層的注漿壓力為3～4MPa，對于充填承載層，由于該層的作用為充當(dāng)假頂，所需的注漿壓力較小，綜合確定承載層的注漿壓力為4.5～6MPa；對于截割層，由于其被注體為破碎散落的頂煤，其堆積的散度較小，若要保證漿液能夠完全注入破碎的煤巖體內(nèi)，所需的注漿壓力要相對稍大，基于此確定承載層的注漿壓力為 6～7MPa。

3.2.3 單孔注漿量

為保證注漿加固后破碎圍巖能夠充填密實(shí)并充分固結(jié)，現(xiàn)場注漿時(shí)應(yīng)保證注到不吃漿為止。通過觀察漿液的滲透、漏出情況來判斷注漿孔漿液是否已經(jīng)注漿充分，另外每個(gè)注漿孔的漿液消耗量可通過下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q為注漿鉆孔的漿液注入量，m3；L為鉆孔長度方向加固區(qū)域的厚度，m；A為漿液的消耗系數(shù)，取1.2～1.5；β為圍巖的裂隙率，取1%～5%；R為漿液的有效擴(kuò)散半徑，m。

3.3 注漿孔布置

根據(jù)1301復(fù)采工作面的具體情況，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)對1301復(fù)采工作面封堵層、承載層和截割層注漿孔參數(shù)進(jìn)行確定：

根據(jù)封堵層的特點(diǎn)，確定注漿孔的間距為15m，在1301工作面回風(fēng)巷、開切眼內(nèi)在距離底板1.2m的位置處打設(shè)注漿鉆孔，鉆孔的仰角為6°～12°，鉆孔的間距為15m，具體封堵層注漿孔的布置形式如圖4（a）所示。

針對充填承載層，確定注漿孔的孔距為13m，在確定工作面開切眼高度為2.64m、承載層的注漿厚度為4.65m的條件下，設(shè)計(jì)承載層注漿鉆孔在工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷距離底板1.5m高的位置處打設(shè)，鉆孔與開切眼的軸線成6°～12°的仰角布置，鉆孔的打設(shè)深度視空頂區(qū)域的范圍確定，需將鉆孔打設(shè)至承載層頂板6.65m的位置處，承載層鉆孔的布置形式如圖4（b）所示。

針對截割層，通過結(jié)合該層破碎散落的頂煤特點(diǎn)與超高水材料漿液的性能確定截割層的注漿厚度為2m，注漿孔孔距為5m，在工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷距離底板1m的高度處打設(shè)注漿鉆孔，鉆孔與開切眼軸線成6°～12°的仰角布置，鉆孔的深度視空巷的具體情況確定，需將截割層鉆孔打設(shè)到承載層頂部2m以上，具體截割層的注漿鉆孔布置形式如圖4（c）所示。

圖4 1301復(fù)采工作面充填注漿鉆孔布置示意圖

3.4 效果分析

為對1301復(fù)采工作面充填注漿效果的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，通過鉆孔窺視、注漿結(jié)實(shí)體強(qiáng)度試驗(yàn)和現(xiàn)場觀察的綜合方式來驗(yàn)證充填注漿效果。

注漿效果窺視孔共布置6個(gè)，具體窺視孔的各項(xiàng)參數(shù)和窺視的注漿效果見表1。

表1 1301復(fù)采工作面充填注漿效果窺視孔參數(shù)及結(jié)果

通過現(xiàn)場對充填注漿加固體進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)得出其強(qiáng)度達(dá)到1.5MPa；通過對充填注漿后1301復(fù)采工作面進(jìn)行現(xiàn)場觀察可知，在回采過程中煤壁完整，頂板無冒漏現(xiàn)象，支架移架順利，采煤機(jī)回采工作順利進(jìn)行。

4 結(jié) 論

針對1301復(fù)采工作面空巷的情況，通過對充填注漿過空巷機(jī)理的具體分析，結(jié)合現(xiàn)場具體情況和超高水材料的性能對充填注漿過空巷的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，根據(jù)注漿效果分析知1301復(fù)采工作面在充填注漿后，工作面順利通過了空巷區(qū)域，保障了工作面的安全生產(chǎn)。