工作面過冒落區(qū)圍巖注漿加固技術(shù)與應(yīng)用研究

韓國將

（山西煤炭運銷集團陽城大西煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

煤礦過去多采用舊式采煤工藝，巷道規(guī)劃不合理，導(dǎo)致整合資源后，工作面在回采過程中會遭遇早期留下的空巷廢巷。當(dāng)廢巷圍巖巖性較弱時，受到地質(zhì)構(gòu)造影響，或者在巷道掘進、工作面回采時，會因為不同程度的采動影響致使空巷頂板或者煤柱破碎而形成不同程度的冒落。通常冒落區(qū)域煤體破碎，圍巖承載力較低，在外動力荷載影響下極容易進一步失穩(wěn)，致使冒落的范圍繼續(xù)增大[1-2]。如果不對冒落區(qū)域進行處理，巷道掘進中易發(fā)生隨掘隨冒的現(xiàn)象，嚴重影響掘進的效率和施工安全。

1 工程概況

大西礦開采3#煤，埋深約257～374 m，工作面走向長度為664 m，傾向長度為180 m，煤厚平均為3.79 m，為近水平煤層。工作面直接頂多為泥巖，基本頂為灰色細粒砂巖與泥巖互層，頂板巖性整體較弱，賦存較不穩(wěn)定。

根據(jù)探測可知，3023工作面前方34～157 m處有疑似冒落區(qū)域，具體形態(tài)如圖1所示。如不對其治理很可能造成工作面回采時的片幫、冒頂事故，因此，對冒落區(qū)范圍工作面煤體展開加固，并且加強對區(qū)域巷道的支護是保證工作面安全回采的關(guān)鍵。

圖1 工作面布置及冒落區(qū)形態(tài)

2 冒落區(qū)賦存特征及加固措施分析

為展開冒落區(qū)域煤體的加固及巷道支護補強，首先要分析冒落區(qū)形成的原因以及相應(yīng)的賦存特征，從而有利于選擇合適的加固手段，有針對性地展開巷道的補強。

2.1 冒落區(qū)的賦存特征

由于舊式采煤工藝對井田不合理的規(guī)劃，遺留的廢棄空巷和煤柱是在采動影響下發(fā)生冒落的主要范圍，分析可知原因主要有以下3方面：

（1）采用舊式采煤法所遺留巷道的支護主要是木點柱支護，經(jīng)過多年的放置，木柱會受到環(huán)境的腐蝕發(fā)生風(fēng)化導(dǎo)致其失去承載力，進而使巷道頂板有所下沉，巷道兩邊裸露的煤體存在風(fēng)化現(xiàn)象，導(dǎo)致強度有所降低，因此在采動影響下有較大的風(fēng)險。

（2）舊式采煤方法開采時基本不回收頂煤，未回收的頂煤在受到礦山壓力的作用下發(fā)生垮落，頂煤塌落范圍形成冒落區(qū)域，同時由于頂煤垮落，也會對直接頂?shù)姆€(wěn)定性產(chǎn)生影響。

（3）舊式采煤工藝采用高落式開采，巷道經(jīng)過擴幫放頂形成臨空區(qū)，在長期礦山壓力的作用和缺乏支護補強的條件下，隨著時間推移，巷道的直接頂逐漸垮落，從而形成冒落區(qū)域。

通過分析可知，發(fā)生冒落的主要原因是巷道圍巖承載穩(wěn)定性不足以及巷道原有支護強度不足兩個方面，因此對于工作面過冒落區(qū)域方式的選擇也主要從以上兩方面。

2.2 冒落區(qū)域加固方式選擇

由于舊式回采工藝，工作面前方會存在由于空巷、煤柱失穩(wěn)而形成的冒落區(qū)域，在3023工作面回采時，應(yīng)分別對空巷以及煤柱區(qū)域采取不同的支護和加固方式。

（1）在空巷支護方面，首先需要優(yōu)化空巷支護參數(shù)，采用預(yù)穿鋼釬控制冒落的大塊矸石，防止其冒落；對于比較破碎的矸石，注漿加固時滲透于冒落區(qū)內(nèi)破碎煤巖體的漿液將其固化粘結(jié)為一個整體。

（2）煤柱失穩(wěn)影響范圍內(nèi)采用注漿加固的方式，提高圍巖承載能力。在破碎煤巖體中注入漿液，滲透于冒落區(qū)內(nèi)破碎煤巖體的漿液將其固化粘結(jié)為一個整體，提高復(fù)采巷道的穩(wěn)定性[3-4]。注漿通過流動可以填滿基本頂與冒落矸石之間的空洞，可有效減緩基本頂?shù)南鲁粒乐够卷斒懿蓜佑绊懗霈F(xiàn)冒頂現(xiàn)象。

3 冒落區(qū)加固方案設(shè)計

3.1 冒落區(qū)巷道錨桿支護補強方案

3023工作面運輸巷寬5.0 m，高4.0 m，均采用錨網(wǎng)索支護方式。巷道頂部錨桿選用規(guī)格為Ф20 mm×2400 mm，每排6根，錨固深度2300 mm，排距900 mm，間距900 mm，頂角兩根錨桿距離幫部250 mm，傾角為15°。幫錨桿選用Ф18 mm×1800 mm，左右兩幫各4根，鉆孔深度1700 mm，排距900 mm，間距1100 mm，頂部錨桿距離頂板約200 mm，底部錨桿距離底板500 mm，并向底板傾斜15°。巷道斷面全采斷面均采用金屬網(wǎng)鋪設(shè)。巷道內(nèi)采用工字鋼棚支護，棚間距為800 mm。巷道支護斷面示意圖如圖2所示。

圖2 巷道支護斷面示意圖

當(dāng)工作面巷道掘進通過舊采空巷冒落區(qū)時，需要根據(jù)復(fù)采巷道圍巖結(jié)構(gòu)類型，采取多種支護方式相結(jié)合的支護方案。故而在3023工作面前方遭遇冒落空巷時，需要對巷道支護進行加強，支護方式與在實體煤中掘進基本相同，但為了減少頂板的整體下沉量，在原有支護的基礎(chǔ)上對煤柱頂板相對完整的區(qū)域補打錨網(wǎng)索進行補強支護。錨桿間排距為1000 mm×1200 mm，錨桿型號為Ф22-M24-2400，錨索間排距1800 mm×1600 mm，錨索型號為SKP22-1-8.4 m。

當(dāng)巷道需要通過冒落區(qū)時，由于應(yīng)力轉(zhuǎn)移致使巷道頂板壓力較大，會造成巷道掘進時容易發(fā)生片幫冒頂，甚至漏空現(xiàn)象。因此在架設(shè)工字鋼棚時，需要將工字鋼棚間距由800 mm減少至500 mm，同時兩幫鋪設(shè)金屬網(wǎng)，必要時兩幫采取噴漿或注漿措施，防止兩幫破碎和漏風(fēng)。

3.2 冒落區(qū)注漿加固補強方案

注漿加固能夠通過膠結(jié)漿液和破碎煤巖體，提高圍巖的完整性，進而提高煤巖體承載能力和殘余強度，降低煤壁片幫、巷道冒頂?shù)娘L(fēng)險。因此，此次注漿采用單液注漿材料，該材料為無機單液組分，不發(fā)熱且無毒，能夠在15 min內(nèi)快速凝固，初期強度高，選擇1:1的水灰比1 d的強度可達15 MPa。3023運輸巷過冒落區(qū)的鉆孔布置如3所示。

圖3 冒落區(qū)域注漿鉆孔布置圖

注漿加固的具體工藝和注漿參數(shù)如下：

（1）鉆孔布置。單孔平行布置，共計布置17個鉆孔，鉆孔間排距在6～9 m。為了能夠有效地加固冒落的煤巖體及其間的煤柱，鉆孔的角度不宜太大，以防止鉆孔進入頂板，不能夠有效地加固空巷間破碎的煤體。為便于排渣，鉆孔的仰角控制在2°～3°。鉆孔開口直徑Ф133 mm，正常鉆進時采用Ф75 mm的鉆頭，鉆孔與巷道中心線的夾角在45°。

（2）在大量注漿前，為防止漏漿，應(yīng)當(dāng)進行封孔處理。插上注漿管后，首先用水灰比0.7:1的單液材料展開封孔，待半小時后漿液初凝后再展開進一步注漿。

（3）為提高經(jīng)濟效益，注漿的水灰比應(yīng)當(dāng)比封孔的水灰比略大。因此正常注漿時，水和無機注漿材料為1:1。

（4）注漿系統(tǒng)主要由注漿泵、攪拌桶及配套管件組成。注漿泵選用ZWBQ50/19氣動注漿泵，攪拌桶為礦用QB220氣動攪拌桶。

（5）由于注漿加固的對象為破碎的煤巖體，為防止注漿壓力過大致使煤巖體進一步破碎，注漿過程中的注漿壓力應(yīng)當(dāng)控制在2 MPa左右，漏漿時可適當(dāng)較低。

4 冒落區(qū)加固效果檢驗

當(dāng)探測出巷道前方有冒落區(qū)時，首先通過鉆孔窺視了解冒落區(qū)域的形態(tài)和煤巖體的破碎程度。窺視結(jié)果如圖4所示。

圖4 注漿前鉆孔窺視結(jié)果

由鉆孔窺視結(jié)果可知，鉆孔變形較大，有嚴重的塌孔現(xiàn)象，并且鉆孔內(nèi)壁破碎，破碎的塊體大小不均勻。結(jié)果表明，冒落區(qū)的煤巖體極度破碎，并且在巷道通過冒落區(qū)時，原有的破碎散體結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)再次遭到破壞，可能發(fā)生隨掘隨冒現(xiàn)象，影響工作面的正常接替。因此，在巷道掘進至冒落區(qū)域時，需要利用注漿材料對舊巷冒落破碎煤巖體展開加固。

注入的漿液能夠起到網(wǎng)絡(luò)骨架的作用，增加碎裂圍巖的完整性和穩(wěn)定性，提高松散圍巖的殘余強度和自身的承載能力，與支護結(jié)構(gòu)形成共同承載體，有力提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

注漿加固后，對注漿范圍內(nèi)的煤巖體又一次展開窺視，注漿后鉆孔內(nèi)的形態(tài)如圖5所示。

圖5 注漿后鉆孔窺視結(jié)果

由窺視的結(jié)果可知，注漿后冒落區(qū)鉆孔的成孔良好，沒有出現(xiàn)塌孔的現(xiàn)象，并且鉆孔孔壁光滑，漿液充滿破碎的煤巖體，沒有出現(xiàn)明顯的裂隙發(fā)育現(xiàn)象，煤巖體完整性顯著提高。

5 結(jié)論

（1）分析了冒落區(qū)域的賦存形態(tài)特征，提出采用巷道加強支護和煤體注漿加固的聯(lián)合治理措施。為提高巷道頂板的穩(wěn)定性，設(shè)計了巷道頂板的補強方案和注漿加固的工藝參數(shù)。

（2）通過鉆孔窺視對比注漿前后冒落區(qū)煤巖體賦存特性可知，注漿加固有效提高了冒落區(qū)煤巖體的完整性，加固效果良好，支護方式合理，實現(xiàn)了工作面的順利推進和安全支護。