綜放工作面停采段圍巖超前注漿加固技術(shù)研究

宋曉彪

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)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(yīng)力影響，也受采動過程中引起的采動應(yīng)力的影響，巷道所受的采動附加應(yīng)力有時達到原巖應(yīng)力的2～5 倍[1]。工作面的超前集中應(yīng)力是引起工作面前方煤壁失穩(wěn)的主要因素。工作面煤壁不能承受所受的采動應(yīng)力時，煤壁會多次出現(xiàn)片幫塌落、煤與瓦斯突出、局部頂板發(fā)生漏冒等現(xiàn)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(wěn)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(yīng)力集中引起前方煤壁失穩(wěn)，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(yīng)力集中系數(shù)也顯著增大。為保障安全生產(chǎn)，決定對7608 綜放工作面停采線附近頂板破碎區(qū)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(qū)，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(qū)，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(qū)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(wěn)定，厚度6.00 ～6.30 m，平均6.10 m，工作面回風巷（里段） 側(cè)回采至218 m 左右，煤層存在局部變薄現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhì)泥巖、泥巖互層，厚4.75～6.24 m，平均5.46 m，偽頂為炭質(zhì)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(jié)理發(fā)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(lián)絡(luò)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(zhì)條件和停采段注漿加固煤巖體的服務(wù)期限，經(jīng)調(diào)研考察分析，選取山西中礦威特礦山技術(shù)開發(fā)有限公司自行研制生產(chǎn)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(jié)性好等優(yōu)點，結(jié)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(zhì)構(gòu)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(chǎn)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(jù)7608 工作面實際情況及現(xiàn)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(nèi)聯(lián)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(nèi)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(shè)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(nèi)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(nèi)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(cè)留有止?jié){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(nèi)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(shè)備。采用礦方現(xiàn)有鉆機，配套φ50 mm 鉆桿、φ75 mm 鉆頭成孔。

（3） 工作面鉆孔鉆進設(shè)備。手持式風動鉆機，φ42 mm 鉆頭成孔。

3.3 注漿工藝參數(shù)

（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(jù)現(xiàn)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(jù)經(jīng)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(shè)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(jié)合現(xiàn)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(tǒng)如圖2 所示。

圖2 注漿系統(tǒng)連接示意Fig.2 Connection indication of grouting system

4 工業(yè)性試驗

為全面檢查巷道注漿加固的穩(wěn)定性，監(jiān)控巷道煤巖體的應(yīng)力變化狀況，掌握圍巖的變形規(guī)律，確定支護方式是否達到巷道穩(wěn)定的要求。在工作面推進到停采線區(qū)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(shù)據(jù)。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(nèi)，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(yīng)力重新分布，漿液與破碎圍巖形成整體結(jié)構(gòu)，可承受的支承壓力變大，測站1 頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在189.2 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在101.6 mm；測站2 頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在183.3 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在100.6 mm。圍巖變化趨于穩(wěn)定，可見注漿加固已基本滿足安全生產(chǎn)的需要。

5 結(jié)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(yīng)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(qū)域的掘進穩(wěn)定性問題，保證快速安全生產(chǎn)。

（2） 現(xiàn)場工業(yè)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。