虎峰煤礦掘進(jìn)工作面過空巷垮落區(qū)注漿加固技術(shù)

李韶鵬

（大同煤礦集團(tuán)華盛虎峰煤業(yè)有限公司，山西 河津 043300）

1 工程概況

1.1 工作面概況

虎峰煤礦2-104 綜放工作面主采2#煤層，傾角為4°～8°，平均6°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層厚度為3.5～5.5 m，平均4.5 m，局部煤層含1～2 層夾矸，厚度0.1～0.2 m，巖性為泥巖。煤層頂?shù)装寰唧w巖性情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

2-104 工作面位于一采區(qū)軌道下山巷南西，北東為一采區(qū)?；?、軌道、皮帶下山，南東為2-106回采工作面，北西為2-102 已采工作面，南西為井田邊界及船窩煤業(yè)有限公司。目前正在掘進(jìn)2-1041巷，主要用于2-104 綜放工作面的進(jìn)風(fēng)、煤炭運(yùn)輸及行人。巷道沿底板掘進(jìn)，施工長度745.4 m，設(shè)計(jì)為梯形斷面，上寬3.6 m，下寬4.6 m，掘高2.8 m。2-1041 巷掘進(jìn)中將揭露遺留的小窯廢棄巷道和巷采區(qū)，位于掘進(jìn)巷道頂部或中部。煤層頂板因受小煤窯開采，大部分或局部已被破壞，頂煤易垮落，煤質(zhì)松軟，壓力大，易引發(fā)冒頂事故。

1.2 空巷賦存特征

在2-1041 巷掘進(jìn)工作面端頭布置探查孔，對掘進(jìn)面前方區(qū)域的空區(qū)頂板垮落高度及沿掘進(jìn)方向的垮落范圍進(jìn)行探查，并結(jié)合鉆孔窺視儀進(jìn)行分析。探查結(jié)果表明：掘進(jìn)面前方為小窯開采后遺留的廢棄巷道和巷采區(qū)，且均已垮落，煤巖體破碎程度較高，其垮落高度在8～13 m 之間，影響范圍達(dá)到了110 m。

2 過空巷注漿加固技術(shù)[1-4]

2.1 注漿加固思路

通過超前預(yù)注漿，可以將掘進(jìn)面前方破碎的煤巖體膠結(jié)起來，提高圍巖的完整性和自承載能力，隨著工作面的掘進(jìn)持續(xù)進(jìn)行帷幕注漿，保證巷道安全高效通過空巷區(qū)域。由于空巷采空區(qū)的垮塌范圍較廣，進(jìn)行完全注漿加固將導(dǎo)致成本大幅增加，而巷道斷面相對較小，因此只需注漿加固巷道垂向上3～5 m 范圍內(nèi)的破碎圍巖即可滿足需求。注漿加固示意圖如圖1。

圖1 注漿加固示意圖

為達(dá)到破碎圍巖的加固效果，采用高水灰比、早期強(qiáng)度高的注漿材料進(jìn)行注漿。同時(shí)，注漿材料的終凝時(shí)間不應(yīng)過長，以防止?jié){液擴(kuò)散范圍超出需加固區(qū)域，造成材料的浪費(fèi)。

2.2 注漿鉆孔布置

根據(jù)空巷賦存形態(tài)及垮落范圍，確定每循環(huán)注漿加固的深度為40 m，掘進(jìn)30 m 后再進(jìn)行下一循環(huán)的注漿施工。由于2-1041 巷掘進(jìn)面前方空巷的影響范圍為110 m，因此需進(jìn)行3 個(gè)“預(yù)注漿加固—掘進(jìn)”的循環(huán)施工。

注漿鉆孔布置方案如圖2。在掘進(jìn)面迎頭布置2 排注漿鉆孔，每排布置3 個(gè)鉆孔，鉆孔間距均為1100 mm，鉆孔排距為1200 mm，上排鉆孔距頂板800 mm，下排鉆孔距底板也為800 mm。具體鉆孔參數(shù)見表2。

圖2 注漿鉆孔布置（mm）

表2 注漿鉆孔參數(shù)

注漿施工時(shí)，打完一個(gè)鉆孔后立即進(jìn)行注漿，再進(jìn)行下一個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)及注漿。該作業(yè)方式一方面可以先對破碎圍巖進(jìn)行預(yù)加固，有利于其他鉆孔的鉆進(jìn)，另一方面可防止相鄰鉆孔裂隙的貫通而影響注漿效果。

2.3 鉆孔施工

由于空巷垮落區(qū)的圍巖松散破碎，采用常規(guī)鉆進(jìn)方式極易出現(xiàn)卡鉆、退鉆機(jī)孔壁坍塌等現(xiàn)象，為保證注漿施工順利實(shí)施，決定采用分段成孔的工藝進(jìn)行鉆孔施工。具體流程如下：

1）首先采用直徑為120 mm 的鉆頭鉆進(jìn)，深度為300 mm，然后退鉆，并下入2 節(jié)1.5 m 長的套筒，并將耐壓強(qiáng)度為15 MPa 的高壓法蘭焊接在套筒外端。套筒示意圖如圖3。

圖3 套筒示意圖

2）連接法蘭盤，進(jìn)行一次注漿，對孔口破碎圍巖進(jìn)行加固，提高淺部圍巖完整性。

3）一次注漿后進(jìn)行封孔0.5 h，隨后打開法蘭盤，采用直徑為75 mm 的鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度。

4）鉆孔結(jié)束后，在孔內(nèi)插入注漿管，進(jìn)行破碎圍巖注漿加固。

2.4 注漿材料

采用新型無機(jī)注漿材料進(jìn)行注漿加固，該材料由兩種成分組成，其離析率及泌水率低，漿液水灰比可以調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0.8:1～1.5:1，漿液初凝時(shí)間也可以調(diào)節(jié)，范圍為10～24 min。其具體性能參數(shù)見表3。

表3 注漿材料性能參數(shù)

根據(jù)表3 的數(shù)據(jù)，漿液水灰比為0.8:1 時(shí)的初凝時(shí)間為10 min，終凝強(qiáng)度達(dá)到了18.3 MPa，不會大范圍擴(kuò)散，且強(qiáng)度較高，但成本也較高；漿液水灰比為1.5:1 時(shí)的初凝時(shí)間為20 min，終凝強(qiáng)度達(dá)到了11.5 MPa，其成本雖然較低，但終凝強(qiáng)度不足，且初凝時(shí)間較長，不適用于小范圍注漿。因此，選擇漿液水灰比為1.0:1，其初凝時(shí)間為12 min，終凝強(qiáng)度可達(dá)15.8 MPa，其強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間均能滿足注漿加固要求，且成本適中。

2.5 支護(hù)方案

根據(jù)圍巖性質(zhì)、巷道斷面，確定巷道過空巷區(qū)域的支護(hù)形式為12#礦用工字鋼全斷面鋪六邊金屬網(wǎng)正梯形支護(hù)。棚距0.55 m（在壓力較大地段，根據(jù)實(shí)際情況棚距縮小至0.3 m），梁長3.3 m，棚腿長2.85 m。為防止頂板碎石垮落，保證架棚受力均勻，在工字鋼上方用木板背實(shí)空隙。

為提高巷道過空巷的掘進(jìn)效率，在掘進(jìn)前采用穿插鋼釬的方式構(gòu)造人工假頂：鋼釬規(guī)格為Ф60 mm×1300 mm，在緊靠工作面迎頭第一架棚梁上方插5 根鋼釬，棚梁兩端距兩端的鋼釬間距為240 mm，鋼釬之間的間距為650 mm，施工角度為20°。鋼釬深入長度不小于750 mm，外露長度不得大于539 mm，且外露一端采用14#聯(lián)網(wǎng)絲與頂部金屬網(wǎng)連接。

3 工程實(shí)踐效果分析

為評價(jià)過空巷圍巖控制方案的效果，在巷道內(nèi)布置測點(diǎn)，對過空巷期間巷道圍巖的位移情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4。

圖4 巷道圍巖位移監(jiān)測結(jié)果

由圖4 可知，巷道掘進(jìn)過空巷初期圍巖位移量迅速增大，在15 d 后逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后巷道頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為158 mm，兩幫最大移進(jìn)量為90 mm，均在允許變形范圍內(nèi)。另外現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，巷道頂板完整性較好，頂板冒落情況也得到了明顯改善，表明該方案的圍巖控制效果較好。

4 結(jié)論

1）通過超前探查孔對2-1041 巷掘進(jìn)面前方的空巷賦存特征進(jìn)行了分析，得出前方空巷區(qū)煤巖體破碎程度較高，垮落高度在8～13 m 之間，影響范圍達(dá)110 m，為注漿加固方案的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2）根據(jù)空巷賦存特征及現(xiàn)場實(shí)際條件，對注漿加固的鉆孔布置、鉆孔施工、注漿材料等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)了巷道過空巷時(shí)的圍巖支護(hù)方案。

3）現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明：巷道掘進(jìn)過空巷期間頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量158 mm，兩幫最大移進(jìn)量90 mm，巷道穩(wěn)定性較好，保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。