受采動影響護巷窄煤柱注漿加固技術研究

李 勇

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程背景

某礦現主采3#煤層，煤層均厚5.75m，平均傾角3°，煤層直接頂和直接底均為強度較低的砂質泥巖。為滿足工作面回采的需求，布置多條巷道，各巷間留設的煤柱寬度為6m。工作面向前推進過程中，受超前支承壓力的影響，與支架相接觸的頂煤破碎、垮落現象嚴重。在現場礦壓實測知，受老頂超前破斷影響，在煤壁前方3～5m內支承壓力達到峰值，回采巷道巷幫煤體發(fā)生片幫現象，支架后部載荷超過前部。隨著懸頂距離增加，老頂在工作面前方發(fā)生破斷，并以前方煤體為支撐點發(fā)生回轉下沉，從而導致煤壁片幫、支架工作阻力增加等來壓現象。由于該工作面巷道間煤柱尺寸留設較小，Ⅲ4309工作面回采過程中礦壓顯現劇烈，為滿足生產需求，需采取注漿加固手段以提高煤柱強度。針對回采巷道不同使用需求，采取分次注漿加固的方式，第一次注漿位置選擇在Ⅲ43093巷超前支護段，超前于回采工作面20～40m距離，以滿足回采的需求；第二次注漿位置選擇在Ⅲ43092巷內滯后于工作面50～100m范圍內，以防止工作面后方殘余支承壓力和采空側懸臂結構對煤柱強度的影響，以滿足留巷的需求。

2 注漿加固方案

2.1 注漿孔的布置

工作面回采巷道根據施工的不同，可分為留頂煤沿底掘進巷道、留底煤沿頂掘進巷道及頂底過渡段三種類型，針對不同巷道類型，制定不同的注漿加固方案。

1）沿底掘進巷道注漿孔布置。試驗段長度為25m，采用雙排孔“三花”布置，上排鉆孔距離巷道頂板1m，下排鉆孔距離巷道底板1.2m，上下兩排鉆孔間垂距為1m，各孔間水平距離為6m，所施工鉆孔直徑為42mm，孔深為4.5m，如圖1所示。上排鉆孔仰角為30°斜向上布置，鉆孔垂深為3.9m，如圖2（a）所示；為增加煤柱下部的承載段長度，下排鉆孔施工時，仰角為0°，與水平方向呈20°斜向工作面方向布置，鉆孔垂深為4.2m，如圖2（b）所示。

圖1 沿底掘進注漿鉆孔布置示意圖

圖2 沿底掘進注漿鉆孔布置俯視圖

2）沿頂掘進巷道注漿孔布置。沿頂掘進試驗段長度為45m，采用與沿底掘進巷道相同的布孔方式，分上下兩排“三花”布置，上排孔距離巷道頂板1m，下排孔距離巷道底板1.2m，上下兩排鉆孔間垂距為1m，各孔間水平距離為6m，鉆孔直徑為42mm，孔深為4.5m，如圖3（a）所示。上排鉆孔仰角為15°斜向上布置，鉆孔垂深為4m；下排鉆孔仰角為0°，與水平方向呈20°斜向工作面切眼布置，如圖3所示。

圖3 沿頂掘進注漿鉆孔布置示意圖

3）過渡段注漿加固方案。過渡段長度共計30m，根據其層位不同，分為上半區(qū)和下半區(qū)，各占一半，上半區(qū)采用與沿頂掘進段相同的布孔方式，下半區(qū)采用與沿底掘進段相同的布孔方式，如圖4所示。在具體現場施工過程中，注漿鉆孔施工位置及孔間距可根據現場煤柱幫錨桿（索）布置情況進行相關調整。為了防止注漿鉆孔間出現漿液串孔現象的發(fā)生，可采取隔孔注漿方式，先施工兩邊鉆孔，兩邊鉆孔注漿加固完成后再進行中間鉆孔的補打工作。

圖4 過渡段區(qū)域示意圖

2.2 注漿時機及注漿孔施工

注漿加固方式及時機選擇要綜合考慮采場礦壓顯現情況及煤體節(jié)理裂隙發(fā)育情況而綜合確定，注漿區(qū)域煤體應相對完整并具有一定的承載能力。若煤體節(jié)理裂隙發(fā)育嚴重，則可能導致注漿孔內漏液嚴重；若煤體強度很低，則鉆孔可能導致煤柱出現失穩(wěn)現象。第一次注漿選取在Ⅲ43093巷超前支護段，超前于回采工作面20～40m距離；第二次注漿選擇在Ⅲ43092巷內滯后于工作面50～100m范圍內。

現場施工中，第一次注漿位置為超前工作面40m處，鉆孔施工完成后進行插管工作，注漿管由射漿管和封孔管兩部分組成，射漿管位于鉆孔內部，其長度為2000mm，材質為鍍鋅鋼管，在鋼管上布置孔徑為5mm、間距為100mm的射漿孔；通過4分直接頭將封孔管安裝在射漿管后端，其長度同樣為2000mm，在管體纏繞鐵絲并點焊，以便于封孔時纏繞棉紗，如圖5所示。

圖5 注漿管示意圖

煤柱注漿加固施工完成后還計劃在巷道表面進行噴漿，此措施可有效防止注漿后漏液現象的發(fā)生，因此將封孔長度減小為0.8～1m，同時在封孔管兩端纏繞鐵絲點焊處纏繞棉紗，封孔工作完成后，注入封孔液，等漿液凝結20min后，可進行注漿工作，如圖6所示。

在進行第二次注漿時，小煤柱已受到工作面回采動壓的影響，較第一次注漿時，煤柱內部圍巖裂隙較為發(fā)育，同時為避開工作面殘余支承壓力的影響，將鉆孔注漿工作滯后于回采工作面50m時進行，具體施工作業(yè)同第一次注漿。

圖6 封孔注漿示意圖

2.3 注漿系統(tǒng)及參數

1）注漿系統(tǒng)。為制備兩種漿液，該注漿系統(tǒng)有2個攪拌桶和2個成漿桶，雙液注漿泵通過2根吸漿管和2根出漿管，并經四通混合器，制備成混合漿液。

圖7 注漿系統(tǒng)連接示意圖

2）注漿材料。注漿材料選擇聯邦雙液新型注漿加固材料，該材料主要選用無機礦粉作為原材料，具有凝結速度快、早期凝結強度高的特點，同時漿液流動性好，便于輸送，進入煤體后粘結性能很好，較普通硅酸鹽注漿材料其性能有很大程度的提升。漿液與水混合后，在6h內不會出現泌水、凝固和沉淀等現象；而當雙液混合后，會在3～10min內發(fā)生凝結，8h內其強度可達到8～15MPa。經室內實驗可知，當水灰比為0.8時，2h 內強度為 12.3MPa，4h 內為 14.1MPa，3d 后強度為 16.1MPa；當水灰比為 1時，2h內強度為9.6MPa，4h 內為 10.8MPa，3d 后強度為 13.1MPa；當水灰比為 1.3時 ，2h內 強 度 為 6.8MPa，4h內 為7.2MPa，3d后強度為8.6MPa。該種注漿材料對于掘進及采煤等對注漿加固要求較高的區(qū)域有很好的適應性，尤其適宜于淺部注漿加固。基于上述分析，考慮到巷道分兩次注漿工作，初次注漿時煤柱完整性較好，因此選擇較大的水灰比（1～1.2）：1；二次注漿時煤柱內部裂隙發(fā)育，因此選擇較小的水灰比（0.8～1）：1。

3）注漿壓力。確定合理的注漿壓力時，既要考慮漿液能夠有效滲入圍巖裂隙，同時需考慮圍巖內部裂隙發(fā)育情況，參考同類工程實踐，可將注漿壓力控制在6～8MPa，若出現較為嚴重的漏液現象時，可將注漿壓力降低。為取得良好的注漿效果，注漿工作持續(xù)進行，直至漿液不再進入煤體為止。

4）施工安全技術措施。漿液在注入的過程中，難免會出現漏液現象，當出現該情況時，需立刻將注漿泵叫停，或者減小漿液流量及速度，注漿泵的停止時間應控制在3min內，每隔3min將其開啟，活塞往返運動2次后停泵，重復幾次，直至已注入孔內裂隙的漿液形成強度，此后再將泵開啟。若煤體內裂隙較大，漏液現象較為嚴重，則可輔以棉紗對漏液處進行封堵，對漏液進行防治。

2.4 注漿加固效果分析

在100m注漿加固試驗段內共計施工注漿鉆孔46個，對加固后的煤柱鉆孔進行窺視，窺視結果如圖8所示，由圖可知，注漿加固后圍巖內部裂隙得到很好地封閉，完整性大大提高，加固效果良好。

圖8 注漿后鉆孔窺視圖

同時對工作面回采過程中兩條巷道圍巖變形進行持續(xù)觀測，觀測結果表明：在未受到工作面回采動壓影響時，巷道頂底板移近量在10mm以內；在回采動壓影響下，頂底板移近量開始增加，距離工作面越近，礦壓現象約明顯，頂底板移近量最大值為230mm；當工作面推進過后，圍巖變形逐漸趨于緩和。

兩幫移近量變化以43092巷為例，在工作面回采初期，兩幫移近量較小，未超過20mm；當工作面回采過后，兩幫移近速度及移近量快速增加；隨著工作面的遠離，兩幫的收斂變形又開始趨于趨于而穩(wěn)定，整個回采過程中，兩幫移近量控制在350mm。

3 結 論

1）針對回采巷道不同使用需求，采取分次注漿加固的方式，第一次注漿位置選擇在Ⅲ43093巷超前支護段，超前于回采工作面20～40m距離，以滿足回采的需求；第二次注漿位置選擇在Ⅲ43092巷內滯后于工作面50～100m范圍內，以防止工作面后方殘余支承壓力和采空側懸臂結構對煤柱強度的影響，以滿足留巷的需求。

2）工作面回采巷道根據施工的不同，可分為留頂煤沿底掘進巷道、留底煤沿頂掘進巷道及頂底過渡段三種類型，針對不同巷道類型，制定不同的注漿加固方案。

3）對加固后的煤柱鉆孔進行窺視，注漿加固后圍巖內部裂隙得到很好地封閉，完整性大大提高，加固效果良好。