殘煤復(fù)采工作面充填注漿過空巷技術(shù)研究與應(yīng)用

王緒昇

（山西新景礦煤業(yè)有限公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

某礦為兼并重組礦井，礦井在兼并重組前采用送巷擴幫式的巷柱式開采方法，致使存在著大巷的遺留煤柱。1301工作面為復(fù)采工作面，主采3#煤層，煤層均厚6.60m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚4.66m，基本頂為細(xì)砂巖，均厚8.20m，工作面設(shè)計采高1.5m，工作面在掘進(jìn)準(zhǔn)備期間揭露35條空巷，舊采取采區(qū)巷道的寬度一般為2～3m，高度一般為2.5m，以木支護為主要的支護方式，現(xiàn)為保證1301復(fù)采工作面回采期間的安全，決定采用空巷預(yù)充填技術(shù)來保證1301復(fù)采工作面安全通過空巷區(qū)域。

2 充填注漿過空巷機理

針對該礦3#煤層舊采取遺留空巷多、存在大量冒落區(qū)的特點，決定選用超高水充填材料作為空巷的主要充填材料，并對空巷區(qū)域采取不完全分層注漿充填的方式，在不同層位進(jìn)行充填作業(yè)時應(yīng)采取不同濃度的超高水充填材料，將在采煤機截割高度范圍內(nèi)的充填體稱為截割層，將位于截割層以上用于充當(dāng)煤層假頂?shù)某涮铙w稱為承載層，具體1301復(fù)采工作面回采前充填注漿結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 回采前充填注漿結(jié)構(gòu)示意圖

超高水充填材料與破碎圍巖間相互膠結(jié)形成的充填體能夠整體上提高圍巖體的強度，從松軟破碎圍巖體的破壞機理、漿液加固以及圍巖體的力學(xué)性能方面進(jìn)行分析，能夠大致將松軟破碎圍巖充填注漿加固的力學(xué)機理大致分為4個方面，基本如下：

1）漿液在外力作用下進(jìn)入到巖體裂隙內(nèi)后，會在一定時間內(nèi)反應(yīng)固結(jié)，從而在圍巖中形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)[1-2]，提升了巷道圍巖體的整體性與承載能力。

2）注漿能夠改善巖體內(nèi)弱面的力學(xué)性能，由于漿液具有很高的黏結(jié)性，當(dāng)其進(jìn)入到巖體的裂隙面后能夠有效的提高破裂面的摩擦阻力，提高巖體的強度[3-4]。

3）漿液進(jìn)行圍巖裂隙中后會對圍巖體形成隔絕層，阻止空氣對巖體的風(fēng)化作用及水對巖體的軟化作用，以此保障巷道圍巖的力學(xué)性能，實現(xiàn)巷道的長期穩(wěn)定。

4）根據(jù)斷裂力學(xué)觀點可知，當(dāng)巖體內(nèi)存在有軟弱結(jié)構(gòu)面和裂隙時，此時巖體在受力時會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中的程度取決于裂隙長度、裂隙端部半徑及巖體尺寸等。巷道圍巖進(jìn)行注漿加固后能夠?qū)⒘严陡浇鼛r體由二向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三向受力狀態(tài)，從而減小應(yīng)力集中系數(shù)，改善了巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，基于此可知注漿加固能夠有效的轉(zhuǎn)變巖體的破壞機制和提高巷道圍巖的強度。

3 充填注漿方案

3.1 方案設(shè)計

充填注漿工藝。為提高被注區(qū)域的整體強度和漿液的利用率，保證充填注漿效果，本次充填注漿施工采用分層遞進(jìn)多輪注漿的施工方法，即針對充填承載層和截割層分別進(jìn)行注漿作業(yè)，通過采用封堵墻的方式對不同的注漿區(qū)域進(jìn)行劃分，由外及里的進(jìn)行多輪注漿作業(yè)，具體分層注漿形式如圖2所示，多輪注漿形式和注漿順序如圖3所示。

針對1301工作面空巷的具體情況，對截割層和充填承載層采用不同濃度的高水充填材料進(jìn)行充填注漿作業(yè)，，對于冒落區(qū)在煤壁1m高的位置處打設(shè)2個注漿鉆孔，一個鉆孔打設(shè)到截割層2m的高度處，另一個注漿孔打設(shè)到承載層4.5m的高度處，具體鉆孔形式如圖2所示，利用冒落區(qū)破碎圍巖與漿液之間的膠結(jié)作用，來提升破碎圍巖的整體承載能力。

圖2 分層注漿示意圖

圖3 多輪推進(jìn)注漿示意圖

在進(jìn)行多輪推進(jìn)注漿作業(yè)過程中，為防止出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象的出現(xiàn)，在1201和1201巷道的煤壁處設(shè)置2m的封堵墻，以此在不同區(qū)域間形成隔離板，保證注漿效果，具體注漿作業(yè)時依據(jù)劃分的不同注漿區(qū)域依次進(jìn)行注漿作業(yè)，在注漿過程中應(yīng)先對首輪注漿區(qū)域進(jìn)行注漿作業(yè)，在首輪注漿區(qū)域注漿作業(yè)完成并固結(jié)后在對次輪區(qū)域進(jìn)行注漿作業(yè)，最后進(jìn)行待注區(qū)域的注漿作業(yè)。

3.2 充填注漿參數(shù)

3.2.1 超高水充填材料水灰比

根據(jù)分層注漿和分區(qū)域注漿的特點，根據(jù)漿液的試驗研究表明當(dāng)超高水材料的水灰比為5：1時，此時漿液的凝結(jié)時間較短、流動性差漿液凝固后的強度高，故確實選用封堵層的水灰比為5：1；對于充填承載層，其作用主要為降低冒落的矸石對工作面的影響，要求其強度大于2MPa，據(jù)此根據(jù)實驗室試驗確定承載層超高水材料的水灰比為6：1；對于截割層，其作用主要為保證采煤機能夠進(jìn)行連續(xù)的割煤作業(yè)，以此避免支架過空巷時的出現(xiàn)受力不均勻的情況，基于此分析得到該區(qū)域漿液固結(jié)后的強度大于1.5MPa即可，基于此確定截割層的超高水充填材料的水灰比為7∶1。

3.2.2 注漿壓力

注漿壓力主要由注漿材料的性能、滲透范圍及圍巖的滲透性等因素確定，在進(jìn)行封堵層的注漿作業(yè)時，由于該層厚度僅為2m，漿液的擴散半徑較小，故確定封堵層的注漿壓力為3～4MPa，對于充填承載層，由于該層的作用為充當(dāng)假頂，所需的注漿壓力較小，綜合確定承載層的注漿壓力為4.5～6MPa；對于截割層，由于其被注體為破碎散落的頂煤，其堆積的散度較小，若要保證漿液能夠完全注入破碎的煤巖體內(nèi)，所需的注漿壓力要相對稍大，基于此確定承載層的注漿壓力為 6～7MPa。

3.2.3 單孔注漿量

為保證注漿加固后破碎圍巖能夠充填密實并充分固結(jié)，現(xiàn)場注漿時應(yīng)保證注到不吃漿為止。通過觀察漿液的滲透、漏出情況來判斷注漿孔漿液是否已經(jīng)注漿充分，另外每個注漿孔的漿液消耗量可通過下式進(jìn)行計算：

式中：Q為注漿鉆孔的漿液注入量，m3；L為鉆孔長度方向加固區(qū)域的厚度，m；A為漿液的消耗系數(shù)，取1.2～1.5；β為圍巖的裂隙率，取1%～5%；R為漿液的有效擴散半徑，m。

3.3 注漿孔布置

根據(jù)1301復(fù)采工作面的具體情況，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗對1301復(fù)采工作面封堵層、承載層和截割層注漿孔參數(shù)進(jìn)行確定：

根據(jù)封堵層的特點，確定注漿孔的間距為15m，在1301工作面回風(fēng)巷、開切眼內(nèi)在距離底板1.2m的位置處打設(shè)注漿鉆孔，鉆孔的仰角為6°～12°，鉆孔的間距為15m，具體封堵層注漿孔的布置形式如圖4（a）所示。

針對充填承載層，確定注漿孔的孔距為13m，在確定工作面開切眼高度為2.64m、承載層的注漿厚度為4.65m的條件下，設(shè)計承載層注漿鉆孔在工作面回風(fēng)巷和運輸巷距離底板1.5m高的位置處打設(shè)，鉆孔與開切眼的軸線成6°～12°的仰角布置，鉆孔的打設(shè)深度視空頂區(qū)域的范圍確定，需將鉆孔打設(shè)至承載層頂板6.65m的位置處，承載層鉆孔的布置形式如圖4（b）所示。

針對截割層，通過結(jié)合該層破碎散落的頂煤特點與超高水材料漿液的性能確定截割層的注漿厚度為2m，注漿孔孔距為5m，在工作面運輸巷和回風(fēng)巷距離底板1m的高度處打設(shè)注漿鉆孔，鉆孔與開切眼軸線成6°～12°的仰角布置，鉆孔的深度視空巷的具體情況確定，需將截割層鉆孔打設(shè)到承載層頂部2m以上，具體截割層的注漿鉆孔布置形式如圖4（c）所示。

圖4 1301復(fù)采工作面充填注漿鉆孔布置示意圖

3.4 效果分析

為對1301復(fù)采工作面充填注漿效果的效果進(jìn)行檢驗，通過鉆孔窺視、注漿結(jié)實體強度試驗和現(xiàn)場觀察的綜合方式來驗證充填注漿效果。

注漿效果窺視孔共布置6個，具體窺視孔的各項參數(shù)和窺視的注漿效果見表1。

表1 1301復(fù)采工作面充填注漿效果窺視孔參數(shù)及結(jié)果

通過現(xiàn)場對充填注漿加固體進(jìn)行單軸抗壓試驗得出其強度達(dá)到1.5MPa；通過對充填注漿后1301復(fù)采工作面進(jìn)行現(xiàn)場觀察可知，在回采過程中煤壁完整，頂板無冒漏現(xiàn)象，支架移架順利，采煤機回采工作順利進(jìn)行。

4 結(jié) 論

針對1301復(fù)采工作面空巷的情況，通過對充填注漿過空巷機理的具體分析，結(jié)合現(xiàn)場具體情況和超高水材料的性能對充填注漿過空巷的各項參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計，根據(jù)注漿效果分析知1301復(fù)采工作面在充填注漿后，工作面順利通過了空巷區(qū)域，保障了工作面的安全生產(chǎn)。