注漿加固技術(shù)在工作面過(guò)小煤窯采空區(qū)矸石冒落帶中的應(yīng)用

趙昕楠

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

在煤礦井下開(kāi)采過(guò)程中，由于受前期臨近已開(kāi)采小煤窯采空區(qū)或煤層地質(zhì)條件影響，造成頂板巖層破碎，導(dǎo)致采掘作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)頂板下沉、頂空、支護(hù)困難等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生冒頂事故，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅[1-2]。目前處理頂板破碎通常采用的技術(shù)方法主要有注漿法、架棚法、木垛法、挺頂法、錨噴法、繞道法等[3-4]，其中因注漿法具有操作簡(jiǎn)單、效果好、安全性高等特點(diǎn)，是煤礦井下應(yīng)用廣泛的方法之一。河南蘆溝煤礦12206工作面開(kāi)采范圍內(nèi)有原小煤窯采空區(qū)，在工作面回采過(guò)程中預(yù)計(jì)會(huì)揭露小煤窯采空區(qū)，造成工作面頂板破碎、矸石冒落等問(wèn)題，給工作面安全高效開(kāi)采帶來(lái)嚴(yán)重影響。為此，在工作面回采過(guò)程中，提出采用注漿法對(duì)工作面采空區(qū)內(nèi)破碎矸石進(jìn)行處理，確保工作面安全高效回采。

1 概 況

12206 工作面位于該礦井田12 采區(qū)東翼，主采5 號(hào)煤層，煤層平均厚度4.6 m，平均傾角10°。工作面煤層頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。根據(jù)相鄰已開(kāi)采工作面和巷道掘進(jìn)期間揭露的地質(zhì)資料及超前探查情況，12206 工作面回采范圍內(nèi)水文地質(zhì)簡(jiǎn)單，不受水害威脅，只有局部頂板裂隙處存在淋水現(xiàn)象，正常涌水量1.5 m3/h，最大涌水量3 m3/h。

根據(jù)12206 工作面物探結(jié)果和巷道掘進(jìn)及臨近已開(kāi)采工作面揭露的資料分析判斷，12206 工作面回采范圍內(nèi)存在原小煤窯采空區(qū)，原小煤窯工作面開(kāi)采高度為2.2 m，寬度約為12 m，根據(jù)物探結(jié)果圈定的小煤窯采空區(qū)約為5 100 m2，原小煤窯布置如圖1 所示。小煤窯開(kāi)采區(qū)域內(nèi)平均留有2.3 m 厚底煤，同時(shí)還殘留有大量的護(hù)巷煤柱，工作面綜合煤炭資源回收率僅有35%，存在煤炭資源浪費(fèi)現(xiàn)象。為此計(jì)劃對(duì)該小煤窯采空區(qū)內(nèi)殘留的煤炭資源進(jìn)行復(fù)采，但在復(fù)采過(guò)程中將會(huì)存在采空區(qū)頂板破碎，容易造成頂板垮落、冒頂事故，對(duì)工作面安全高效開(kāi)采造成嚴(yán)重影響。

表1 12203 工作面煤層頂?shù)装鍘r性Table 1 Roof and floor lithology of coal seam in No.12203 Face

圖1 12206 工作面開(kāi)采范圍內(nèi)小煤窯采空區(qū)布置示意Fig.1 Layout of small coal mine goaf in No.12206 Face

2 注漿加固技術(shù)方案

由于采用物探方法探查工作面小煤窯采空區(qū)范圍精度相對(duì)較低，且因12206 工作面開(kāi)采范圍內(nèi)受小煤窯采空區(qū)影響范圍較大，小煤窯工作面開(kāi)采后采空區(qū)垮落容易造成各采空區(qū)相互溝通，采空區(qū)內(nèi)破碎矸石對(duì)工作面回采影響較大。因此，為提高工作面采空區(qū)內(nèi)破碎矸石穩(wěn)定性，便于工作面頂板安全管理，確保工作面安全高效回采，采用注漿技術(shù)方法對(duì)采空區(qū)垮落的矸石進(jìn)行充填加固，使破碎的矸石形成一個(gè)整體，提高其穩(wěn)定性，以解決工作面回采期間頂板安全管理難度大問(wèn)題。

2.1 注漿材料選擇

在進(jìn)行采空區(qū)注漿材料選取時(shí)既要考慮注漿加固效果，同時(shí)還需考慮用料成本。目前煤礦井下常用的注漿材料主要有2 種[5-6]，分別為有機(jī)化學(xué)類(lèi)和無(wú)機(jī)類(lèi)（水泥類(lèi)），其中有機(jī)化學(xué)類(lèi)注漿材料具有滲透性好、操作使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)或氣體，污染環(huán)境且材料成本也相對(duì)較高。無(wú)機(jī)類(lèi)水泥漿液注漿材料可劃分為水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿和高水速凝材料3 類(lèi)，其中水泥單液漿在注漿加固作業(yè)時(shí)存在凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)石率低、析水量大、控制難度大等缺點(diǎn)；水泥-水玻璃雙液漿存在凝結(jié)后的巖體遇水時(shí)強(qiáng)度會(huì)大幅度下降問(wèn)題，影響加固效果；而高水速凝材料具有較好的滲透性和流動(dòng)性，膠結(jié)時(shí)間可控制調(diào)節(jié)，結(jié)石率達(dá)到100%，且其水灰比高、無(wú)析水、價(jià)格低，應(yīng)用后不會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體和物質(zhì)，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。綜上對(duì)比分析，決定選用高水速凝材料對(duì)12206 工作面回采影響范圍內(nèi)的小煤窯采空區(qū)破碎矸石進(jìn)行加固。

2.2 注漿參數(shù)確定

2.2.1 注漿孔設(shè)計(jì)

注漿孔位置設(shè)計(jì)布置是否合理對(duì)注漿效果起到關(guān)鍵性影響。雖然在工作面切眼內(nèi)布置注漿孔能夠起到最好的加固效果，但在注漿施工過(guò)程中會(huì)對(duì)工作面正?；夭稍斐奢^大影響，且存在注漿孔施工難度大，容易出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿、跑漿等問(wèn)題。在工作面巷道內(nèi)布置注漿孔，可以向小煤窯采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行超前注漿加固，漿液沿煤層傾角方向向下自流，增加漿液的滲透性，提高采空區(qū)破碎矸石膠結(jié)率。因此，選擇在12206 工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)布置注漿鉆孔。

在工作面回風(fēng)巷內(nèi)設(shè)計(jì)采用深孔和淺孔相結(jié)合的方式布置注漿孔，其中淺孔設(shè)計(jì)布置在距巷道頂板0.8 m 位置，鉆孔深度為5 m、間距3 m；深孔設(shè)計(jì)布置在距巷道頂板1.2 m 位置，深度以鉆進(jìn)至小煤窯采空區(qū)內(nèi)為準(zhǔn)，鉆孔間距為10 m。注漿孔具體設(shè)計(jì)布置如圖2 所示。

圖2 12206 工作面注漿鉆孔布置示意Fig.2 Layout of grouting drilling in No.12206 Face

2.2.2 注漿量確定

因工作面回采區(qū)域受小煤窯采空區(qū)影響范圍較大，在對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿時(shí)難以確定具體的注漿量，通常注入采空區(qū)內(nèi)的漿液以液面超過(guò)采空區(qū)內(nèi)原遺留底煤頂煤以上2 m 為宜，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注漿過(guò)程中，以相鄰注漿孔漏漿、跑漿及總注漿量情況來(lái)確定單個(gè)注漿鉆孔的注漿量。

2.2.3 注漿壓力確定

注漿區(qū)域位于工作面采空區(qū)內(nèi)，因采空區(qū)內(nèi)巖體均較為破碎，矸石之間的間隙較大，在注入漿液時(shí)漿液滲入流動(dòng)時(shí)受到的阻力相對(duì)較小，其阻力主要來(lái)自注漿管路，因此在注漿作業(yè)時(shí)壓力不宜過(guò)大。根據(jù)類(lèi)似條件下相關(guān)研究及以往注漿經(jīng)驗(yàn)，確定小煤窯采空區(qū)注漿壓力為0.5 MPa。

2.2.4 注漿時(shí)間確定

注漿時(shí)間一般與采空區(qū)內(nèi)巖層裂隙發(fā)育及破碎情況、注漿量多少和漿液在采空區(qū)巖體內(nèi)擴(kuò)展速度大小等有關(guān)。在工作面小煤窯采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行注漿時(shí)，由于采空區(qū)內(nèi)的巖層裂隙與原巖裂隙發(fā)育不一樣，因此不能按照傳統(tǒng)的“漿液充滿工作面圍巖裂隙”為判斷標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定小煤窯采空區(qū)注漿時(shí)間，而應(yīng)根據(jù)工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，以“工作面采空區(qū)內(nèi)破碎巖體是否膠結(jié)”來(lái)判定注漿時(shí)間。在確定小煤窯采空區(qū)注漿時(shí)間時(shí)要根據(jù)注漿壓力大小及注漿量多少等參數(shù)綜合考慮確定。

2.2.5 漿液擴(kuò)散半徑

漿液擴(kuò)散半徑主要與注漿孔位置、深度，漿液性質(zhì)、漿液在巖層裂隙中的延展情況、注漿壓力等因素有關(guān)。此次注漿是在工作面采空區(qū)內(nèi)，因采空區(qū)區(qū)域面積大，破碎矸石間隙大，漿液在采空區(qū)內(nèi)流動(dòng)擴(kuò)散范圍也相對(duì)較大，注漿擴(kuò)散半徑大小對(duì)注漿效果影響非常有限，同時(shí)因漿液在破碎矸石間流動(dòng)擴(kuò)散，準(zhǔn)確確定其擴(kuò)散半徑難度較大。根據(jù)12206 工作面回采范圍內(nèi)揭露的小煤窯采空區(qū)矸石破碎情況，初步確定12206 工作面注漿漿液擴(kuò)散半徑為4 m。

3 應(yīng)用效果分析

12206 工作面在2021 年6 月進(jìn)行初采時(shí)，就開(kāi)始在工作面回風(fēng)巷布置施工注漿鉆孔對(duì)工作面受小煤窯采空區(qū)影響范圍內(nèi)的破碎矸石進(jìn)行注漿加固，直至2021 年9 月注漿結(jié)束，此時(shí)注漿加固點(diǎn)距工作面回采位置200 m，注漿作業(yè)未對(duì)工作面正常生產(chǎn)產(chǎn)生影響。注漿作業(yè)前按照鉆孔設(shè)計(jì)將注漿孔施工到位后開(kāi)始進(jìn)行注漿作業(yè)，注漿時(shí)采用的注漿泵型號(hào)為2ZBSB8-1.1/6-22，注漿壓力設(shè)置為0.5 MPa。依據(jù)探測(cè)的小煤窯采空區(qū)在12206 工作面的影響區(qū)域面積和注漿量，確定工作面采空區(qū)注漿加固的面積約為5 200 m2。

12206 工作面采空區(qū)采取提前注漿加固措施后，根據(jù)回采過(guò)程中揭露出的采空區(qū)矸石情況可知，小煤窯采空區(qū)已垮落的破碎矸石整體性和穩(wěn)定性得到大幅度提升，工作面回采過(guò)采空區(qū)期間，煤墻及頂板基本未發(fā)生過(guò)大面積片幫、掉矸、垮落現(xiàn)象，工作面頂板得到有效控制。工作面生產(chǎn)期間能夠保持正常快速推進(jìn)，每天能夠?qū)崿F(xiàn)6 個(gè)正規(guī)循環(huán)，日推進(jìn)3.6 m/d。同時(shí)在過(guò)采空區(qū)回采過(guò)程中，不需要提前加設(shè)木垛或打設(shè)單體柱支柱對(duì)工作面頂板進(jìn)行超前支護(hù)，減少了人員在煤壁側(cè)作業(yè)，降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅度提高作業(yè)安全系數(shù)。

4 結(jié) 論

（1） 12206 工作面回采區(qū)域范圍內(nèi)受原小煤窯工作面采空區(qū)影響，且采空區(qū)內(nèi)遺留有約2.3 m厚底煤，采空區(qū)內(nèi)矸石破碎，在工作面回采過(guò)程中將會(huì)揭露小煤窯采空區(qū)，若不采取措施進(jìn)行處理，會(huì)造成煤墻片幫、頂板空頂、掉矸甚至垮落問(wèn)題，頂板管理難度極大。

（2） 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出注漿充填加固采空區(qū)破碎矸石技術(shù)方案，通過(guò)對(duì)比分析注漿材料優(yōu)缺點(diǎn)及注漿施工參數(shù)設(shè)計(jì)，確定了12206 工作面具體注漿加固技術(shù)方案，即在工作面回風(fēng)巷內(nèi)提前施工布置注漿鉆孔進(jìn)行注漿，注漿鉆孔采用深孔和淺孔相結(jié)合的方式進(jìn)行布置，注漿材料選用高水速凝材料。

（3） 12206 工作面采用超前注漿加固處理采空區(qū)破碎矸石技術(shù)后，在工作面回采過(guò)小煤窯采空區(qū)過(guò)程中，未出現(xiàn)大面積煤墻片幫、頂板矸石冒落問(wèn)題，工作面推進(jìn)速度保持在3.6 m/d，實(shí)現(xiàn)了安全高效回采，應(yīng)用效果顯著。