綜放工作面停采段圍巖超前注漿加固技術研究

宋曉彪

（山西潞安環保能源開發股份有限公司 五陽煤礦，山西 長治 046299）

0 引言

煤礦開采過程中，煤巖體既要受原巖應力影響，也受采動過程中引起的采動應力的影響，巷道所受的采動附加應力有時達到原巖應力的2～5 倍[1]。工作面的超前集中應力是引起工作面前方煤壁失穩的主要因素。工作面煤壁不能承受所受的采動應力時，煤壁會多次出現片幫塌落、煤與瓦斯突出、局部頂板發生漏冒等現象，對工作面的回采造成嚴重影響[2]。

在面對圍巖破碎的開采情況下，因錨固劑與破碎巖體的錨固力常常不能達標，致使錨桿索的錨固強度大幅度降低，不能滿足維護巷道穩定的要求。因此，在破碎圍巖巷道中的支護一般采取注漿加固的方法[3-6]。

五陽煤礦7608 綜放工作面在回采過程中因工作面應力集中引起前方煤壁失穩，尤其是在工作面收尾階段，需要撤架的空間大，頂板裸露面積大，圍巖應力集中系數也顯著增大。為保障安全生產，決定對7608 綜放工作面停采線附近頂板破碎區域進行超前預注漿加固。

1 概況

7608 工作面位于+600 水平、76 采區，工作面地表位置位于原東周村，地面標高+881—+892 m，工作面標高+467—+515 m。工作面北部為7606 采空區，南部為76-2 號南部2 號回風巷，西部為76-2 號南部回風巷，東為76-2 號區段準備巷道。回采后會對原東周村造成一定影響。

7608 工作面開采對象為山西組中下部的3 號煤層，煤層賦存穩定，厚度6.00 ～6.30 m，平均6.10 m，工作面回風巷（里段） 側回采至218 m 左右，煤層存在局部變薄現象，煤層最薄處為5.80 m，煤層傾角+3°～+7°，平均+5°，含2 層夾矸，分為3 個自然分層，其結構為6.10=1.49（0.01） 3.29（0.03） 1.28。

煤層老頂為粉砂巖、中粒石英砂巖互層，厚3.90～6.73 m，平均5.49 m，直接頂為砂質泥巖、泥巖互層，厚4.75～6.24 m，平均5.46 m，偽頂為炭質泥巖，厚0.20～0.30 m，平均0.25 m，巖性為黑色，夾煤線或煤屑，節理發育，易冒落，f=2～3。

7608 工作面運、回兩巷沿煤層偽傾向布置，總體趨勢為外高里低，運巷高、回巷低，運回兩巷均沿煤層頂板掘進。運輸巷長639.7 m，巷道-10°～1°，平均坡度為-4.5°；回風巷（外段）長447 m，巷道坡度-14°～0，平均坡度為-6°；里切眼長117 m，巷道坡度-11°～-6°，平均坡度為-7°；回風巷（里段） 長171.8 m，巷道坡度-11°～-4°，平均坡度為-8°；回風巷聯絡巷長214 m，巷道坡度-3°～1°，平均坡度為-1.5°；外切眼長109.8 m，巷道坡度-8°～8°，平均坡度為0；回風巷車場長83.9 m，巷道坡度-9°～-3°，平均坡度為-6°。

2 注漿加固材料

注漿加固材料一般可以分為3 大類：水泥基注漿材料、化學注漿材料和水泥與化學復合注漿材料[4]。針對五陽煤礦7608 綜放工作面的圍巖地質條件和停采段注漿加固煤巖體的服務期限，經調研考察分析，選取山西中礦威特礦山技術開發有限公司自行研制生產的新型無機單液注漿材料耐固I 號作為此次工程試驗的注漿加固材料。耐固I 號是一種單液注漿加固材料，具有可注性強、流動性好、滲透性強、粘結性好等優點，結石體強度及充填率高，膠凝時間為45 min≤t≤240 min，24 h 強度可達25 MPa 以上，較為適合地質構造帶深孔預注漿和壁后注漿。

3 注漿加固方案

考慮到施工對工作面生產的影響，決定在工作面回風巷和運輸巷的回風通道，分別施工深孔注漿加固。

3.1 鉆孔布置

注漿范圍為停采線前方5 m 和后方20 m 范圍，根據7608 工作面實際情況及現場施工條件，提出以下鉆孔布置方案。在工作面回風巷和運輸巷回風通道內聯合布置注漿鉆孔，鉆孔布置如圖1 所示。

圖1 注漿鉆孔布置示意Fig.1 The layout of grouting drilling

7608 回風巷內施工2 排鉆孔，下排鉆孔開孔高度1.0 m，上排鉆孔開孔高度2.5 m；上下排孔成“三花”布置，上排第一個鉆孔在停采線往前5 m位置開始施工，下排第一個鉆孔在停采線往前2.5 m 位置開始施工；上排孔間距5 m，下排孔間距5 m，上下排孔間距2.5 m；由于回風巷是沿著煤層頂板布置，打設長鉆孔時由于鉆桿自重，成孔會自動往下偏斜，因此，上、下排孔均揚起一定的角度并垂直煤壁施工，上排鉆孔角度為4°，下排鉆孔角度為6°，孔深均為80 m；巷道內上排鉆孔施工6 個，下排鉆孔施工5 個，合計施工11 個80 m 的鉆孔。

7608 工作面膠帶運輸巷由于布置有運輸皮帶，鉆孔無法施工，因此，確定在工作面距離停采線20 m 左右時，從工作面垂直煤壁施工鉆孔。工作面內共施工2 排鉆孔，下排鉆孔開孔高度1.0 m，上排鉆孔開孔高度2.5 m；上下排孔成“三花”布置，為防止從運輸巷漏漿，必須在運輸巷煤壁側留有止漿的保護帶，因此，上排第一個鉆孔在距離運輸巷煤壁7 m 處開始施工，最后一個鉆孔在距離回風施工鉆孔終孔位置約7 m 處開始施工；下排在距離運輸巷煤壁10.5 m 處開始施工，最后一個鉆孔在距離回風施工鉆孔終孔位置約10.5 m 處開始施工；上排孔孔間距7 m，下排孔間距7 m，上下排孔間距3.5 m；上、下排孔均為上仰施工的鉆孔，仰角為7°，孔深均為25 m，上排孔終孔位置距煤層頂板0.5 m；巷道內上排鉆孔施工20 個，下排鉆孔施工19 個，合計施工39 個25 m 的鉆孔。

3.2 鉆孔施工

（1） 鉆孔時機。為不影響末采進度，注漿深孔提前施工，回風巷鉆孔施工完成后及時插入封孔鋼管和注漿導流管（PE 管），并進行封孔。

（2） 回風巷鉆孔鉆進設備。采用礦方現有鉆機，配套φ50 mm 鉆桿、φ75 mm 鉆頭成孔。

（3） 工作面鉆孔鉆進設備。手持式風動鉆機，φ42 mm 鉆頭成孔。

3.3 注漿工藝參數

（1） 注漿時機。工作面推進到距離70 m 左右時開始實施注漿。

（2） 注漿壓力。根據現場漏漿情況，確定終孔注漿壓力不低于15 MPa，并在漏漿嚴重時降低注漿壓力。

（3） 單孔注漿量。單孔注漿量取決于超前支承壓力影響范圍和程度，根據經驗初步測算80 m長鉆孔單孔注漿量為3 ～4 t/孔，25 m 長注漿孔單孔注漿量為1.25 t/孔。

（4） 注漿設備。深孔注漿宜采用流量較大、額定注漿壓力較大的液壓注漿泵，結合現場工程實際，采用ZBYSB100/20-18.5（額定流量100 L/min，額定壓力22 MPa，功率18.5 kW，重量1.2 t，可為分體式） 型液壓注漿泵，配備2 個QB200 型氣動攪拌桶。注漿系統如圖2 所示。

圖2 注漿系統連接示意Fig.2 Connection indication of grouting system

4 工業性試驗

為全面檢查巷道注漿加固的穩定性，監控巷道煤巖體的應力變化狀況，掌握圍巖的變形規律，確定支護方式是否達到巷道穩定的要求。在工作面推進到停采線區域附近，注漿巷道隔50 m 布置2 個測站，對巷道變化量進行為期30 d 的觀測，每3 d觀測一次并記錄數據。圖3 為測站頂、底板及兩幫圍巖移近量隨時間變形量趨勢。

圖3 巷道圍巖隨時間變形量趨勢Fig.3 Trend of surrounding rock deformation over time

在30 d 的觀察期內，注漿方案實行初期由于未能及時形成支護整體，巷道圍巖變形較大，巷道頂、底板移近量和兩幫移近量變化幅度大，變形量大。但在支護中后期時，巷道圍巖應力重新分布，漿液與破碎圍巖形成整體結構，可承受的支承壓力變大，測站1 頂底板移近量穩定在189.2 mm，兩幫移近量穩定在101.6 mm；測站2 頂底板移近量穩定在183.3 mm，兩幫移近量穩定在100.6 mm。圍巖變化趨于穩定，可見注漿加固已基本滿足安全生產的需要。

5 結論

（1） 通過對工作面停采段撤架空間支護困難問題進行分析，針對受采動應力大的巷道開采中由圍巖破碎導致支護困難的特點，采用新型注漿材料進行注漿加固，解決了7608 綜放開采面破碎區域的掘進穩定性問題，保證快速安全生產。

（2） 現場工業性試驗表明，巷道采取注漿加固后，巷道頂、底板移近量及兩幫移近量變化幅度和變化量都較小，可以有效控制巷道圍巖變形，緩解頂板塌落和片幫的問題。該種支護方式為其他條件相似的綜放工作面維護提供了參考。