注漿加固技術在工作面過小煤窯采空區矸石冒落帶中的應用

趙昕楠

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013）

在煤礦井下開采過程中，由于受前期臨近已開采小煤窯采空區或煤層地質條件影響，造成頂板巖層破碎，導致采掘作業過程中出現頂板下沉、頂空、支護困難等問題，嚴重時甚至發生冒頂事故，給礦井安全生產帶來嚴重威脅[1-2]。目前處理頂板破碎通常采用的技術方法主要有注漿法、架棚法、木垛法、挺頂法、錨噴法、繞道法等[3-4]，其中因注漿法具有操作簡單、效果好、安全性高等特點，是煤礦井下應用廣泛的方法之一。河南蘆溝煤礦12206工作面開采范圍內有原小煤窯采空區，在工作面回采過程中預計會揭露小煤窯采空區，造成工作面頂板破碎、矸石冒落等問題，給工作面安全高效開采帶來嚴重影響。為此，在工作面回采過程中，提出采用注漿法對工作面采空區內破碎矸石進行處理，確保工作面安全高效回采。

1 概 況

12206 工作面位于該礦井田12 采區東翼，主采5 號煤層，煤層平均厚度4.6 m，平均傾角10°。工作面煤層頂底板巖性見表1。根據相鄰已開采工作面和巷道掘進期間揭露的地質資料及超前探查情況，12206 工作面回采范圍內水文地質簡單，不受水害威脅，只有局部頂板裂隙處存在淋水現象，正常涌水量1.5 m3/h，最大涌水量3 m3/h。

根據12206 工作面物探結果和巷道掘進及臨近已開采工作面揭露的資料分析判斷，12206 工作面回采范圍內存在原小煤窯采空區，原小煤窯工作面開采高度為2.2 m，寬度約為12 m，根據物探結果圈定的小煤窯采空區約為5 100 m2，原小煤窯布置如圖1 所示。小煤窯開采區域內平均留有2.3 m 厚底煤，同時還殘留有大量的護巷煤柱，工作面綜合煤炭資源回收率僅有35%，存在煤炭資源浪費現象。為此計劃對該小煤窯采空區內殘留的煤炭資源進行復采，但在復采過程中將會存在采空區頂板破碎，容易造成頂板垮落、冒頂事故，對工作面安全高效開采造成嚴重影響。

表1 12203 工作面煤層頂底板巖性Table 1 Roof and floor lithology of coal seam in No.12203 Face

圖1 12206 工作面開采范圍內小煤窯采空區布置示意Fig.1 Layout of small coal mine goaf in No.12206 Face

2 注漿加固技術方案

由于采用物探方法探查工作面小煤窯采空區范圍精度相對較低，且因12206 工作面開采范圍內受小煤窯采空區影響范圍較大，小煤窯工作面開采后采空區垮落容易造成各采空區相互溝通，采空區內破碎矸石對工作面回采影響較大。因此，為提高工作面采空區內破碎矸石穩定性，便于工作面頂板安全管理，確保工作面安全高效回采，采用注漿技術方法對采空區垮落的矸石進行充填加固，使破碎的矸石形成一個整體，提高其穩定性，以解決工作面回采期間頂板安全管理難度大問題。

2.1 注漿材料選擇

在進行采空區注漿材料選取時既要考慮注漿加固效果，同時還需考慮用料成本。目前煤礦井下常用的注漿材料主要有2 種[5-6]，分別為有機化學類和無機類（水泥類），其中有機化學類注漿材料具有滲透性好、操作使用方便等優點，但在使用過程中容易產生有毒有害物質或氣體，污染環境且材料成本也相對較高。無機類水泥漿液注漿材料可劃分為水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿和高水速凝材料3 類，其中水泥單液漿在注漿加固作業時存在凝結時間長、結石率低、析水量大、控制難度大等缺點；水泥-水玻璃雙液漿存在凝結后的巖體遇水時強度會大幅度下降問題，影響加固效果；而高水速凝材料具有較好的滲透性和流動性，膠結時間可控制調節，結石率達到100%，且其水灰比高、無析水、價格低，應用后不會產生有毒有害氣體和物質，不會對環境造成污染。綜上對比分析，決定選用高水速凝材料對12206 工作面回采影響范圍內的小煤窯采空區破碎矸石進行加固。

2.2 注漿參數確定

2.2.1 注漿孔設計

注漿孔位置設計布置是否合理對注漿效果起到關鍵性影響。雖然在工作面切眼內布置注漿孔能夠起到最好的加固效果，但在注漿施工過程中會對工作面正常回采造成較大影響，且存在注漿孔施工難度大，容易出現嚴重漏漿、跑漿等問題。在工作面巷道內布置注漿孔，可以向小煤窯采空區內進行超前注漿加固，漿液沿煤層傾角方向向下自流，增加漿液的滲透性，提高采空區破碎矸石膠結率。因此，選擇在12206 工作面回風巷設計布置注漿鉆孔。

在工作面回風巷內設計采用深孔和淺孔相結合的方式布置注漿孔，其中淺孔設計布置在距巷道頂板0.8 m 位置，鉆孔深度為5 m、間距3 m；深孔設計布置在距巷道頂板1.2 m 位置，深度以鉆進至小煤窯采空區內為準，鉆孔間距為10 m。注漿孔具體設計布置如圖2 所示。

圖2 12206 工作面注漿鉆孔布置示意Fig.2 Layout of grouting drilling in No.12206 Face

2.2.2 注漿量確定

因工作面回采區域受小煤窯采空區影響范圍較大，在對采空區進行注漿時難以確定具體的注漿量，通常注入采空區內的漿液以液面超過采空區內原遺留底煤頂煤以上2 m 為宜，在現場實際注漿過程中，以相鄰注漿孔漏漿、跑漿及總注漿量情況來確定單個注漿鉆孔的注漿量。

2.2.3 注漿壓力確定

注漿區域位于工作面采空區內，因采空區內巖體均較為破碎，矸石之間的間隙較大，在注入漿液時漿液滲入流動時受到的阻力相對較小，其阻力主要來自注漿管路，因此在注漿作業時壓力不宜過大。根據類似條件下相關研究及以往注漿經驗，確定小煤窯采空區注漿壓力為0.5 MPa。

2.2.4 注漿時間確定

注漿時間一般與采空區內巖層裂隙發育及破碎情況、注漿量多少和漿液在采空區巖體內擴展速度大小等有關。在工作面小煤窯采空區內進行注漿時，由于采空區內的巖層裂隙與原巖裂隙發育不一樣，因此不能按照傳統的“漿液充滿工作面圍巖裂隙”為判斷標準來確定小煤窯采空區注漿時間，而應根據工作面現場實際情況，以“工作面采空區內破碎巖體是否膠結”來判定注漿時間。在確定小煤窯采空區注漿時間時要根據注漿壓力大小及注漿量多少等參數綜合考慮確定。

2.2.5 漿液擴散半徑

漿液擴散半徑主要與注漿孔位置、深度，漿液性質、漿液在巖層裂隙中的延展情況、注漿壓力等因素有關。此次注漿是在工作面采空區內，因采空區區域面積大，破碎矸石間隙大，漿液在采空區內流動擴散范圍也相對較大，注漿擴散半徑大小對注漿效果影響非常有限，同時因漿液在破碎矸石間流動擴散，準確確定其擴散半徑難度較大。根據12206 工作面回采范圍內揭露的小煤窯采空區矸石破碎情況，初步確定12206 工作面注漿漿液擴散半徑為4 m。

3 應用效果分析

12206 工作面在2021 年6 月進行初采時，就開始在工作面回風巷布置施工注漿鉆孔對工作面受小煤窯采空區影響范圍內的破碎矸石進行注漿加固，直至2021 年9 月注漿結束，此時注漿加固點距工作面回采位置200 m，注漿作業未對工作面正常生產產生影響。注漿作業前按照鉆孔設計將注漿孔施工到位后開始進行注漿作業，注漿時采用的注漿泵型號為2ZBSB8-1.1/6-22，注漿壓力設置為0.5 MPa。依據探測的小煤窯采空區在12206 工作面的影響區域面積和注漿量，確定工作面采空區注漿加固的面積約為5 200 m2。

12206 工作面采空區采取提前注漿加固措施后，根據回采過程中揭露出的采空區矸石情況可知，小煤窯采空區已垮落的破碎矸石整體性和穩定性得到大幅度提升，工作面回采過采空區期間，煤墻及頂板基本未發生過大面積片幫、掉矸、垮落現象，工作面頂板得到有效控制。工作面生產期間能夠保持正常快速推進，每天能夠實現6 個正規循環，日推進3.6 m/d。同時在過采空區回采過程中，不需要提前加設木垛或打設單體柱支柱對工作面頂板進行超前支護，減少了人員在煤壁側作業，降低了人員勞動強度，大幅度提高作業安全系數。

4 結 論

（1） 12206 工作面回采區域范圍內受原小煤窯工作面采空區影響，且采空區內遺留有約2.3 m厚底煤，采空區內矸石破碎，在工作面回采過程中將會揭露小煤窯采空區，若不采取措施進行處理，會造成煤墻片幫、頂板空頂、掉矸甚至垮落問題，頂板管理難度極大。

（2） 根據現場實際情況，提出注漿充填加固采空區破碎矸石技術方案，通過對比分析注漿材料優缺點及注漿施工參數設計，確定了12206 工作面具體注漿加固技術方案，即在工作面回風巷內提前施工布置注漿鉆孔進行注漿，注漿鉆孔采用深孔和淺孔相結合的方式進行布置，注漿材料選用高水速凝材料。

（3） 12206 工作面采用超前注漿加固處理采空區破碎矸石技術后，在工作面回采過小煤窯采空區過程中，未出現大面積煤墻片幫、頂板矸石冒落問題，工作面推進速度保持在3.6 m/d，實現了安全高效回采，應用效果顯著。