掘進工作面過采空區破碎頂板加固

靳敏捷

（山西鄉寧焦煤集團通合煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

煤礦開采的前期工作需要采用對巷道進行掘進，在實際掘進過程中本身巷道圍巖的平衡狀態被打破，導致工作面巷道出現變形、松動甚至破壞的現象。因此，在對工作面巷道進行掘進時需采區基本必要的支護措施。除此之外，隨著工作面的掘進可能存在過采空區的情況，由于采空區的平衡狀態已經被打破，在該區域除了采用常規的支護方案外，一般采用注漿加固的方案對其頂板進行加固[1]。

1 注漿加固機理

山西鄉寧焦煤集團通合煤業有限公司2103 運輸順槽掘進工作面高3.2 m，寬4 m，全巷道采用鋼棚支護。現工作面掘進至150 m 時，遇老窯采空區，掘進工作面全斷面為破碎狀態，垮落碎石無規則分布，斷面底部為1 m 多浮煤。為預防掘進巷繼續推進出現冒頂問題，保證安全有序推進，現擬對此工作面迎頭區域進行注漿加固。

所謂注漿加固指的是，采用相關的注漿設備將相應比例的漿液通過滲透、劈裂、壓密等手段將其加入需要加固的介質中。在漿液的作用下能夠提升介質的整體承受能力，保證了介質的整體性。注漿加固的主要機理為漿液能夠將介質相對薄弱的部分重新膠結起來，從而實現對介質物理力學性能改善的目的[2]。在注漿加固的基礎上能夠減少后期的支護成本，提升介質的整體支護效果。

2 注漿加固方案的設計

在對2103 運輸順槽掘進工作面實際情況詳細掌握的基礎上，結合注漿加固的機理，本節針對性的完成注漿材料和漿液的配比，同時完成具體注漿參數設計。

2.1 注漿材料及漿液配比

結合現場情況綜合分析，選用山西凝固力新型材料股份有限公司生產的煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料（JG PU·SixOy）（以下簡稱凝固力—加固材料）及2ZBQ-8/10 立體型氣動高壓雙液注漿泵設備。

此次注漿加固采用2ZBQ-8/10 立體型氣動高壓雙液注漿泵，其相關技術參數如表1 所示。

表1 2ZBQ-8/10 立體型氣動高壓雙液注漿泵技術參數表

2.2 注漿方案的確定

擬在工作面頂板酥軟破碎處布置一排鉆孔，鉆孔深度為4.0 m，角度為斜向頂板30°，孔間距1.5 m，即幫孔距離兩幫0.5 m 處，斜向巷道兩幫10°，中間孔斜向頂板30°，開孔位置在頂板下方1 m 處。因頂板比較破碎，此次鉆孔采用中空麻花鉆桿打孔注漿，單孔注漿量原則上不少于60 桶，預計總量為5 t。單孔注漿量以注漿壓力及煤壁返漿情況為終止注漿標準[3]。孔距、孔深、鉆孔角度及單孔注漿量可根據現場實際情況進行調整（如圖1 所示）。

圖1 注漿鉆孔平面示意圖（mm）

2.3 注漿參數設計

注漿關鍵參數包括有注漿壓力、擴散半徑、注漿歷時以及注漿順序等。

1）注漿壓力的確定。因為目前我們所使用的化學漿液屬于真濁液，其粘度低、粒徑小、滲透性強，較水泥等懸濁液所需的注漿壓力要小的多。一般注漿壓力為2～8 MPa。目前我公司的氣動注漿泵（2ZBQ-8/10）最大注漿壓力可達21 MPa。根據現場的實際情況，施工地點供風能力不低于3 m3/min，供風壓力不小于0.5 MPa，注漿壓力不小于4 MPa。

2）擴散半徑的確定。布孔間距和注漿壓力是漿液擴散半徑的主要因素。受裂隙展布影響，漿液在被注漿體中在各個方向的擴散距離并非均勻的，其與注漿煤巖體孔隙、注漿壓力和注漿材料性能密切相關。通過施工人員的經驗積累，漿液在普通裂隙開度和孔隙率下的擴散半徑約為1～1.5 m。

3）注漿歷時。化學漿液的注漿歷時主要取決與不同類型材料的膠凝時間。從目前現有的注漿材料特性及現場注漿經驗積累來看，從開始注漿到漿液完全擴散或滲透到被注載體中所需要的時間為一般為10～20 min。

4）注漿順序。注漿順序根據地質條件、現場環境及注漿目的來確定。對于裂隙溝通比較好的煤巖體可采用間隔跳孔注漿方式，來減少串漿，提高注漿效果；對于大面積范圍應采用先外圍，后內部的注漿順序；對于破碎煤柱整體加固可采用深淺孔配合注漿方式；對于裂隙比較發育，跑冒漿液比較嚴重的注漿載體，可采用先淺部注漿，漿液擴散后在淺部快速形成類似“止漿墻”的具有止漿效果的整體煤體，再深部注漿，保證深部漿液擴散范圍和注漿壓力[4]。

2.4 注漿工藝設計

注射凝固力加固材料具有以下優點：

1）工藝簡單，操作簡便。多功能注漿泵體積小，重量輕，壓風作動力源。正常操作兩人即可（一人連接、拆卸槍頭，觀察巷道頂幫返漿情況；一人操作注漿泵，觀察注射泵的運轉情況）。

2）專用封口器的設計合理。封口器一端有爆破閥，當漿液壓力達一定值時，將爆破閥沖開，漿液便經注漿管注入巖層。較其他方法封口簡單、省時、高效。

圖2 注漿工藝示意圖

3 注漿加固效果評估

為驗證工作面過采區頂板的注漿加固效果，將掘進工作面過采區區域的分為兩部分，其中一部分開展的注漿加固，另一部分為采用注漿加固，對兩部分區域實際掘進過程中頂板的位移量進行監測，并統計得出如表2 所示的數據。

表2 注漿效果對比

如表2 所示，對工作面過采區區域采區注漿加固后頂板與漿液結膠為整體，頂板的整體性和圍巖穩定性得到提升，在掘進過程中頂板下沉的垂直位移與未注漿明顯減少。

4 結語

工作面在掘進過程中由于地質條件的復雜性在常規支護手段的基礎上還需采用特殊的加固措施。2103 運輸順槽掘進工作面在掘進過程中遇到采空區的問題，本文主要對其頂板進行注漿加固。所采用的注漿材料為煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料（JG PUSixOy），漿壓力不小于4 MPa、擴散半徑約為1.0～1.5 m、注漿歷時為10～20 min。實踐表明，經對掘進工作面采區注漿加固后漿液和頂板結膠為整體，下沉量也明顯減少。