殘采區(qū)掘進(jìn)工作面注漿加固與支護(hù)技術(shù)研究

王 帥

(山西晉煤集團(tuán) 古書院礦礦山技術(shù)服務(wù)分公司，山西 晉城 048000)

長(zhǎng)期以來(lái)，小煤礦浪費(fèi)式開采遺留了大量復(fù)雜交錯(cuò)的廢巷，在這些廢巷影響下圍巖受到不同程度破壞[1-2].巷道掘進(jìn)過(guò)程中，不可避免地要通過(guò)殘采區(qū)，殘采區(qū)中原破碎結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)遭到破壞，易發(fā)生變形、失穩(wěn)，可能發(fā)生隨掘隨冒現(xiàn)象，貿(mào)然通過(guò)會(huì)造成頂板、瓦斯等事故，對(duì)掘進(jìn)工作面施工安全帶來(lái)隱患，影響煤礦安全生產(chǎn)[3-4].

隨著注漿技術(shù)的不斷成熟，利用注漿材料加固廢巷垮落區(qū)的破碎圍巖，提高工作面巷道的穩(wěn)定性，得到廣泛應(yīng)用[5-6].針對(duì)海天煤業(yè)有限公司郭莊煤礦殘采區(qū)掘進(jìn)工作面過(guò)廢巷的技術(shù)難題，探討了不同圍巖破壞結(jié)構(gòu)下巷道掘進(jìn)過(guò)廢巷的注漿及支護(hù)技術(shù)，結(jié)合不同破壞類型廢巷提出相應(yīng)的支護(hù)方式，將注漿圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成承載體，以維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的順利推進(jìn)。

1 工程概況

郭莊煤礦3617工作面開采3號(hào)煤層，煤層平均厚度為6 m，煤層傾角2°～6°.由于原礦井開采規(guī)劃不合理并采用落后的開采工藝，致使井田內(nèi)存在大量廢巷。3617工作面空巷分布主要分為兩部分，見圖1.

圖1 3617工作面空巷分布圖

其中，3617工作面中部為五西北回風(fēng)巷、五西運(yùn)輸巷、五西南回風(fēng)巷及3條巷道之間的聯(lián)絡(luò)巷。這3條巷道為原盤區(qū)大巷，沿煤層底板布置，巷道高度均為2.2 m，寬度均為4 m，主要采用木點(diǎn)柱支護(hù)。巷道整體維護(hù)情況較好，沒有出現(xiàn)大面積的片幫、冒頂現(xiàn)象，其穿越了該工作面中部。這些廢巷中存在積水、積氣等安全隱患。若不進(jìn)行處理，工作面推進(jìn)過(guò)程中很可能引發(fā)突水、瓦斯、頂板等事故。

此外，有3條空巷及其聯(lián)絡(luò)巷貫穿3617掘進(jìn)工作面。3617回風(fēng)巷掘進(jìn)迎頭至集中運(yùn)輸巷約507 m時(shí)，在掘進(jìn)端頭打探孔，探測(cè)到端頭前方有疑似空巷垮落區(qū)域。根據(jù)掘巷及鉆孔的揭露情況，3條廢巷及聯(lián)絡(luò)巷的頂板均已垮落，在矸石及部分頂煤的碎脹作用下充滿了整個(gè)巷道空間，這些煤巷賦存極不規(guī)則，高度及寬度在3～6 m.如不對(duì)其治理很可能造成工作面回采時(shí)的片幫、冒頂事故。

2 掘進(jìn)工作面注漿加固及支護(hù)方案

2.1 注漿加固方案

3617上分層巷道掘進(jìn)過(guò)空巷冒落區(qū)域，在掘巷迎頭采取超前預(yù)注漿加固冒落區(qū)圍巖，漿液在巖體中充填密實(shí)，膠結(jié)牢固，將冒落區(qū)內(nèi)破碎的煤巖體粘結(jié)為整體，提高掘巷圍巖的完整性和穩(wěn)定性。

超前預(yù)注漿鉆孔參數(shù)見表1，超前預(yù)注漿鉆孔布置見圖2.每個(gè)循環(huán)布置7個(gè)超前預(yù)注漿鉆孔，鉆孔均距巷道底板1 000 mm，Y-3、Y-4、Y-5鉆孔仰角為3°，其余鉆孔仰角為2°.鉆孔與巷道軸線夾角和鉆孔至巷道中心線的距離均在兩幫最大，在巷道中心最小。通過(guò)不同鉆孔深度控制掘進(jìn)巷道注漿加固區(qū)域。每個(gè)循環(huán)在掘巷迎頭前方形成長(zhǎng)40 m寬25 m完整和穩(wěn)定的封閉帷幕，掩護(hù)后續(xù)掘進(jìn)，保障空巷區(qū)域掘巷安全。每次超前預(yù)注漿深度為40 m，再掘進(jìn)30 m，3617回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的空巷影響區(qū)范圍分別為110 m和185 m，分別需要4個(gè)和6個(gè)“預(yù)注漿加固-掘進(jìn)”循環(huán)，可以保證3617回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷安全通過(guò)空巷冒落區(qū)域。

表1 超前預(yù)注漿鉆孔參數(shù)表

圖2 超前預(yù)注漿鉆孔布置圖

預(yù)計(jì)鉆孔施工較為困難，采用分次成孔辦法。具體為：先用d133 mm鉆頭鉆進(jìn)2 m，退鉆，下套筒，套筒長(zhǎng)度1.5 m，套筒外端焊法蘭。下套筒后，連接法蘭一次注漿，加固孔口，填充套筒周邊縫隙，封孔0.5 h后，打開法蘭蓋板換d75 mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)。如果鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)不返水、卡鉆等情況，應(yīng)退鉆，重新上法蘭蓋板注漿，注漿結(jié)束打開蓋板繼續(xù)鉆進(jìn)；重復(fù)以上工序，直到達(dá)到設(shè)計(jì)深度。

打鉆過(guò)程中，出現(xiàn)破碎、卡鉆情況，及時(shí)退出鉆桿，利用法蘭對(duì)鉆孔注漿加固，對(duì)破碎區(qū)域和已打區(qū)域進(jìn)行加固，1 h后可套孔。注漿時(shí)應(yīng)保證注漿連續(xù)，直到漏漿難以封堵或者壓力到達(dá)2～3 MPa.鉆孔穿過(guò)破碎帶，退鉆，利用法蘭對(duì)破碎帶注漿加固，應(yīng)盡量提高注漿壓力，保證漿液在破碎帶得到充分?jǐn)U散。注漿采用2ZBQ150/6型雙液氣動(dòng)注漿泵和QB500型氣動(dòng)攪拌桶。

2.2 掘進(jìn)巷道支護(hù)方案

根據(jù)3617工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件及郭莊煤礦圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，確定掘進(jìn)巷道采用基本支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的技術(shù)方案。

掘進(jìn)巷道基本支護(hù)方式見圖3.掘進(jìn)巷道斷面為梯形，掘進(jìn)斷面上寬3 600 mm，下寬4 600 mm，巷高3 000 mm，采用架設(shè)梯形工字鋼棚對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，棚間距800 mm，架棚與巷道間用木板做背板背實(shí)，防止煤體的冒落，使支架受載均勻，避免支架承受集中載荷，增加支架的承載能力。

圖3 基本支護(hù)示意圖

上分層工作面巷道掘進(jìn)通過(guò)原盤區(qū)大巷和大量的舊采空巷垮落區(qū)時(shí)，需根據(jù)掘進(jìn)巷道圍巖結(jié)構(gòu)類型，提出不同的支護(hù)方案，采取多種支護(hù)方式相結(jié)合的支護(hù)方案，確保巷道安全掘進(jìn)。

1)通過(guò)殘留煤柱。

復(fù)采巷道通過(guò)殘留煤柱時(shí)，煤柱兩側(cè)為空巷或垮落區(qū)，受應(yīng)力集中的影響，煤柱被壓酥破壞，采用錨桿支護(hù)時(shí)，破碎煤體的可錨性差，錨固效果差。為了減少頂板的整體下沉，在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)煤柱頂板相對(duì)完整的區(qū)域補(bǔ)打錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。頂板每排補(bǔ)打兩根錨索，間距2 000 mm，排距2 000 mm，錨索型號(hào)為SKP22-1-8.4 m，見圖4.

圖4 頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖

2)通過(guò)原盤區(qū)大巷。

盤區(qū)大巷維護(hù)情況相對(duì)較好，沒有出現(xiàn)大范圍的冒頂、片幫。3617上分層復(fù)采巷道在原盤區(qū)大巷上部頂煤中沿頂掘進(jìn)，為防止巷道掘進(jìn)過(guò)程中，巷道與原盤區(qū)大巷間的煤體垮落，影響巷道的掘進(jìn)速度，在影響巷道掘進(jìn)的原盤區(qū)大巷部分區(qū)域內(nèi)架設(shè)木垛，加強(qiáng)對(duì)上分層巷道底板的支護(hù)。對(duì)巷道兩幫的煤體噴漿或注漿加強(qiáng)支護(hù)。

上分層復(fù)采巷道在基本支護(hù)的基礎(chǔ)上，對(duì)巷道頂板采用錨桿索加強(qiáng)支護(hù)。錨桿間排距800 mm×1 000 mm，錨索間排距2 400 mm×1 200 mm，見圖5.

圖5 頂錨網(wǎng)索+工字鋼棚+木垛聯(lián)合支護(hù)圖

3)通過(guò)頂板垮落區(qū)。

原高落式開采的煤巷及聯(lián)絡(luò)巷為木點(diǎn)支護(hù)或無(wú)支護(hù)，巷道長(zhǎng)時(shí)間在采動(dòng)壓力的影響下，直接頂已全部垮落。

當(dāng)掘進(jìn)至垮落區(qū)時(shí)，利用注漿材料對(duì)舊巷垮落的煤巖體進(jìn)行加固。支護(hù)示意圖見圖6，鉆孔布置在距垮落區(qū)2～3 m處，用煤電鉆打d42 mm的注漿鉆孔，其中：上排鉆孔距頂500 mm，下排鉆孔距底1 000 mm，上、下排鉆孔與煤幫的夾角2°～4°，上排鉆孔的仰角4°～6°，下排鉆孔與掘進(jìn)頭垂直。插上注漿管后，采用水灰比0.8∶1的漿液封孔，注漿壓力控制在1～3 MPa，防止把留設(shè)的2～3 m的煤體壓垮。

圖6 掘進(jìn)巷道過(guò)頂板垮落區(qū)支護(hù)示意圖

3 工程效果分析

3617上分層回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷內(nèi)超前預(yù)注漿加固鉆孔工程量2 200 m，超前預(yù)注漿多性能注漿材料用量250 t，說(shuō)明殘采區(qū)域內(nèi)部空洞、裂隙發(fā)育。在注漿前后分別窺視數(shù)個(gè)鉆孔，對(duì)比注漿加固效果。注漿前后窺視結(jié)果見圖7，圖8.

圖7 注漿前鉆孔窺視結(jié)果圖

圖8 注漿后鉆孔窺視結(jié)果圖

由圖7，圖8可以看出，注漿前煤體內(nèi)部煤巖體破碎，鉆孔變形嚴(yán)重，孔口甚至孔內(nèi)都出現(xiàn)嚴(yán)重的塌孔現(xiàn)象；注漿后，鉆孔成孔好轉(zhuǎn)，孔壁完整，漿液完全填滿煤巖體之間的裂隙或空洞區(qū)域，使煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整、緊密，注漿加固效果良好。

巷道掘成后，對(duì)巷道進(jìn)行為期20天的觀測(cè)，巷道變形情況見圖9.

由圖9可知，巷道在進(jìn)行注漿加固以及巷道支護(hù)后，前10天巷道變形較大，隨后頂板下沉量趨于穩(wěn)定至190 mm，表明殘采區(qū)域超前預(yù)注漿加固效果良好，支護(hù)方式合理，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面的順利推進(jìn)和安全支護(hù)。

圖9 注漿后巷道變形情況圖

4 結(jié) 論

1)殘采區(qū)掘進(jìn)工作面采用超前預(yù)注漿方案，在掘巷迎頭前方形成長(zhǎng)40 m寬25 m完整、穩(wěn)定的封閉帷幕，3617回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷分別需要4個(gè)和6個(gè)“預(yù)注漿加固-掘進(jìn)”循環(huán)。

2)根據(jù)掘進(jìn)巷道圍巖結(jié)構(gòu)類型，確定掘進(jìn)巷道采用基本支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的技術(shù)方案。

3)注漿鉆孔窺視和掘進(jìn)工作面殘采區(qū)揭露情況表明：超前預(yù)注漿取得了比較理想的效果，支護(hù)方式合理，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面的順利推進(jìn)和安全支護(hù)。