高水注漿加固技術在小煤柱工作面的應用

楊育君

（陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦，山西陽泉045008）

引言

陽煤集團一礦15號煤S8205小煤柱工作面煤層節理裂隙發育、松散破碎、抗壓強度小，開挖后原三向承壓狀態變為兩項承壓狀態，淺部圍巖失去完整性，破碎區要大于其他礦區煤層巷道。基于此，需要在S8205小煤柱工作面沿采空側空巷道開展煤柱滯后注漿加固技術。

1 工作面面概況

S8205工作面設計可采走向長760m，采長170m，可采儲量115萬t。工作面回風巷與相鄰已采工作面S8206工作面進風巷之間預留煤柱5 m。

1.1 工作面地質概況

本工作面地面標高1 050～1 275 m，工作面標高678.5～709.6 m。地表位于大西溝以東，張華溝以南，北溝以西，吳家掌村以北的山梁溝谷地帶，地表無建筑物，有部分農田及山林。

本工作面井下位于南條帶二采區西部，東部為S8206工作面（已采），南部為新補皮帶巷，西部為S8207工作面（未掘），北部為k81106工作面（未掘）。本工作面為相鄰采空區工作面。

本工作面煤層賦存穩定，結構復雜，煤層總厚度最大7.50 m，最小7.20 m，平均厚度7.33 m，煤層傾角最大14°，最小3°，平均6°。煤層中賦存1～2層不穩定夾石，其中上夾石普遍存在，俗稱“八寸石”，厚度0.23 m左右，中下部的一層夾石不穩定，呈凸透鏡體狀，俗稱“驢石”。預計絕對瓦斯涌出量50.0 m3/min，相對瓦斯涌出量19 m3/t，煤塵無爆炸危險性，具有自燃傾向性。

工作面老頂為灰黑色石灰巖，厚度8.65 m，夾兩層黑色泥巖，含有動物化石和方解石脈；直接頂為灰黑色泥巖，厚度1.30 m，致密，性脆；直接底為深灰色砂質泥巖，厚度5.04 m；老底為淺灰色細粒砂巖，厚度1.96 m，堅硬，含有植物化石。

1.2 支護情況

巷道頂板采用“錨桿＋錨索＋金屬網＋鋼帶”聯合支護，排距900 mm，間距960 mm。鋼帶使用BHW-960-220-4-5 100 mm的6眼W鋼帶；每排交錯布置2根錨索，即：從左往右，第一排鋼帶的第2、4眼和第二排鋼帶的第3、5眼內布置錨索，其他眼布置錨桿，依次交替進行。頂錨桿使用Φ22 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，錨索使用Ф21.6 mm×5 200 mm的礦用錨索，頂網使用6 000 mm×1 100 mm的金屬網。

兩幫采用“錨桿+錨索+金屬網”聯合支護，每排每幫布置2根錨桿2根錨索，從頂板往下第二眼和第四眼布置錨桿，第1、3眼布置錨索；錨桿錨索間距從頂板至底板間距為400/950/950/950/550 mm。幫錨桿使用Φ20 mm×2 000 mm的圓鋼錨桿，幫錨索使用Φ17.8 mm×5 200 mm的礦用錨索，幫網使用3 500 mm×1 100 mm的金屬網（豎向布置）。

2 巷道破壞變形及加固技術分析

對于破碎圍巖巷道，單獨采用錨桿與錨索支護，由于錨固劑與破碎圍巖的黏結力小，錨固力不能保證，錨桿與錨索的力學性能不能充分發揮。在這種條件下，注漿加固是巷道圍巖控制的有效途徑。注漿采用物理或者化學方法，將可以固化的液體材料通過注漿泵或其他手段注入到破碎巖體或存在缺陷的構筑物裂隙內，從而改善其物理力學性能的方法和過程。含裂隙煤巖體注漿加固后，其強度和抗滲透性將有所提高。被注巖體的強度、抗滲透性的提高程度以及對結構穩定性的影響，受巖體結構、注漿材料和注漿過程的控制。因此，對注漿加固后圍巖力學性能的研究，是研究巷道圍巖注漿理論不可缺少的一個方面。目前，根據研究數據證明，注漿加固使砂巖強度增加50%～70%，粉砂巖和泥質巖強度增加1～3倍，內聚力增加40%～70%，巖體靜彈模提高22%～37.5%，動彈模提高4.5%～17.5%。中國礦業大學葛家良在旗山礦軟巖動壓巷道錨注支護試驗中得出，錨注加固后，圍巖不同深度的物理力學性能得到了不同程度的改善，單軸抗壓強度提高0.77～1.49倍，抗拉強度提高6%～92%，內聚力提高1.4～4.0倍，靜彈模提高12%～69%。

3 加固方案制定

3.1 注漿加固技術

結合S8205工作面回風巷掘進實際情況，注漿加固最佳時機應該距掘進工作面70～100m左右，圍巖變形速度基本穩定后開始注漿，此時施工方便高效。如果掘進期間施工工序不允許，可以待整條巷道掘進完成后，在本工作面回采影響前至少對煤柱幫噴設厚約30～50 mm左右混凝土層，待混凝土層凝固后進行煤柱內注漿加固，進行S8205小煤柱工作面回風巷滯后噴注加固煤柱幫。

3.2 注漿材料

注漿材料選用高水速凝材料。

3.3 注漿參數

1）水灰比。根據實驗室試驗結果，綜合考慮井下施工條件，漿液固結強度及材料消耗等因素，確定漿液的水灰比1.5∶1。

2）注漿壓力。注漿需要一定壓力克服裂隙阻力以便漿液滲入圍巖，對于S8205工作面回風巷采用深孔注漿，因注漿孔深、圍巖裂隙發育程度較差，應采用較大的注漿壓力，保證漿液的滲透范圍較大，因此，確定注漿壓力為2.0～3.0 MPa。

3）注漿量。從保證巷道圍巖裂隙被充填密實的角度出發，注入的漿液盡量保證裂隙充填滿的需要，原則上注到不吃漿為止。每個注漿孔的注漿量可用以下公式估算：

式中：Q為每個孔的漿液注入量，m3；A為漿液消耗系數，取1.2～1.5；L為鉆孔長度方向加固區厚度，m；R為漿液有效擴散半徑，m；β為圍巖的裂隙率，1%～5%；λ為漿液的充填系數，0.6～1.0。

根據煤體的裂隙發育程度及煤體的孔隙率確定注漿量：參照類似地質條件資料判斷煤巖體的孔隙率為0.83%～1.05%，煤巖體孔隙充填率達到90%。

4）注漿孔布置和孔深。注漿孔布置的原則主要是保證漿液盡可能多、均勻滲透到破碎圍巖中，根據注漿工程實踐及實驗室試驗結果，注漿孔布置見圖1，注漿孔排距為2排錨桿排距即1.6 m，考慮到鉆孔及機具條件及施工方便，確定注漿孔水平投影長度4 m，每排2個孔。布置的注漿孔鉆孔用Φ42 mm鉆頭，成孔孔徑不得超過Φ45 mm，并保持圓度。下排鉆孔開孔高度1.2 m，上排鉆孔開孔高度2.8 m，下排孔以俯角15°施工，鉆孔直徑為42 mm，孔深4.1 m；上排孔為上仰鉆孔，鉆孔直徑為42 mm，鉆孔上仰角度約5°，孔深約4m。

圖1 注漿孔布置圖

3.4 注漿過程

1）噴漿。為了防止漿液沿著錨桿孔、裂隙向外流，漿液難以深入破碎圍巖深部，在注漿前對回風平巷割煤側噴50～70 mm的混凝土，形成止漿層，保證注漿效果。

2）制漿。嚴格按水灰比供水上料，攪拌均勻。3）封孔。采用布袋或用錨固劑和麻絲進行封孔。封孔長度為1.8 m。

4）注漿封孔40 min后，可進行注漿。為了防止串漿，注漿順序為間隔注漿。

5）清洗。每班結束注漿或暫停一段時間，如封孔結束，等待封孔段固結期間需要沖洗注漿泵和管路，直到管路最末端出清水。

3.5 施工組織

注漿作業包括鉆注漿孔、運料、制漿、封孔、注漿、清洗、移動注漿系統等工序，其中鉆注漿孔、封孔和注漿為三個主要工序。

鉆注漿孔要求較高，安排專人施工，一般由2人操作。2人作注漿前的準備工作，連接注漿管路，準備注漿管及封口器，連接好注漿系統，搬運高水速凝材料，向攪拌桶內放清水，攪拌制漿。注漿時分工協調，2名工人上料攪拌，觀察吸漿情況，1名司機開泵，觀察壓力表，監控注漿狀態，2名工人連接封孔管與注漿管，另設專人仔細觀察注漿孔周邊滲透情況，指揮注漿工作。

4 試驗觀察

2016年9月工作面開始回采，通過在工作面回風巷落山往外300 m范圍，每隔50 m在回風煤柱側設置一個礦壓觀察站，工作面通過3個月的回采觀察，S8205工作面回風巷煤柱在注漿加固后頂底板圍巖移近量較小，未注漿的煤柱及巷道頂底板及兩幫移近量較大。當工作面與未加固段煤柱之間的距離小于15 m時，尤其是小于10 m以后，頂底板及兩幫位移量顯著增大。采用高水材料充填加固的巷道頂底板及兩幫移近量只有未加固巷道的50%，兩幫移近量從未加固煤柱支護的1 500 mm降低到500 mm，頂底板移近量也從木垛支護的最大99 mm降低到了50 mm，充填加固效果十分明顯。

5 結論

對小煤柱工作面煤柱采區高水注漿加固技術，不但加固了煤柱，提高了煤柱的強度，而且改善了煤柱的承壓性能，同時注入的高水材料對煤柱裂隙和破碎區域進行了封堵，大大減少了工作面回采過程中采空區與工作面間的氣體交換，保障了工作面推進過程中不會存在自燃隱患。因此，高水加固技術是治理小煤柱開采煤柱破碎、裂隙發育、圍巖特性差的有效方法之一，高水加固技術在一礦小煤柱工作面的成功應用，可為后續陽泉礦區小煤柱工作面的開采治理提供借鑒。