掘進面過老空區時綜合支護技術的研究

賈棟彭

（霍州煤電集團河津騰暉煤業有限責任公司，山西 河津 043300）

騰暉煤業在整合前各礦均開采了2 號煤層，由于采煤工藝落后，對2 號煤層造成了嚴重的破壞。目前計劃在三采區進行煤層復采。復采區巷道在掘進過程中會與以往小井采空區出現交叉，巷道整體結構穩定性差，傳統的錨網索聯合支護方案支護效率低下，難以滿足需求。

對于巷道穿越同層采空區的施工工藝，王凱等對太平礦六采區復采巷道掘進，提出了在掘進工作面前方架設鋼棚，并配合超前鋼釬施工工藝對復采掘進巷道進行支護，采用全斷面一次爆破的施工工藝進行施工，取得了良好的效果。龍鳳魁針對老空區頂板大面積垮落的問題，提出了注漿充填采空區形成再生頂板的施工工藝，采用鋁基超高水泥漿進行采空區充填，并測試了充填體力學性能，保障了工作面的安全。結合騰暉煤業的實際情況，本文提出了采用鋁基超高水泥漿進行采空區充填+巷道支護結構優化的方案[1-7]。

1 鋁基高水材料采空區注漿加固

鋁基高固水材料具有較高的流動性，在巷道進行注漿加固的時候，需要根據井下實際地質情況選擇不同的注漿加固方案。根據三采區復采條件對多種鉆進方案的分析，最終確定在已探測有空巷且已揭露的情況下采用鉆孔注漿加固方案，在已揭露空巷且采空區未垮落的位置采用開放式注漿。

1.1 開放式注漿加固

開放式注漿加固，采空區空巷內完全處于開放狀態，注漿端部設置一個注漿閥，且其扎入沉渣不應小于80 mm，在進行充填時根據注漿液的狀態變化涵蓋了注漿液的初凝、注漿液的過渡、注漿液基本固化、注漿液完全固化四個階段。開放式注漿如圖1。

圖1 開放式注漿示意圖

在采用開放式注漿時需要根據注漿過程進行注漿料配比的調整，初凝區和過渡區域的注漿料需要具有快速凝結的效果，提高注漿的可靠性。注漿充填時對于破碎較大的煤體，需要用封堵材料進行封堵，避免注漿料從裂縫處滲漏。

1.2 鉆孔式注漿加固

鉆孔式注漿在空巷已揭露的情況下采用鉆孔注漿方式，將周圍的煤矸石、碎石、煤塊等形成一個穩固的整體，提高圍巖的穩定性和施工效率。根據井下的實際情況，將注漿孔設置在掘進工作面的迎頭區域，距離老空區約為5 m。鉆孔注漿充填如圖2。

圖2 鉆孔充填示意圖

由圖2 可知，在進行鉆孔注漿時，當掘進到距離老空區約5 m 的位置時停止掘進，在迎頭的位置開始鉆注漿孔對老空區進行注漿。在注漿的過程中對老空區的充填效果進行監測，若存在盲區則需要補充注漿孔進行補充注漿，直到將老空區全部充填完成為止。

在注漿時為了保證注漿的可靠性，需要將注漿孔設置在巷道頂板下側約1400 mm 處，注漿孔的數量需要根據巷道的寬度來確定。井下共設置3 個注漿孔，分布在巷道中間、左側25°、右側25°的位置，確保老空區及巷道兩幫向外約5 m 的區域能夠完全被覆蓋，提高注漿加固區的穩定性。由于井下采空區較高，鉆孔時需要鉆到空巷位置，注漿管的埋入長度不應低于10 m，注漿孔的直徑為52 mm。

注漿的過程中采用多次循環注漿的工藝，首先在中孔內注漿加固，待漿液初步固化后再分別對左側和右側的注漿孔注漿。

2 巷道支護結構優化

為解決傳統錨網索聯合支護所存在的效率低、安全性差的不足，結合騰暉煤業井下的實際情況提出了臨時支護、錨網索+鋼棚永久支護相結合的巷道支護結構方案。

2.1 臨時支護

在過空期間，為提高前探梁的完整性，采用了金屬前探梁臨時支護結構，利用“U”型卡把梁卡入棚梁上的卡槽處。為了提高固定強度，所使用的“U”型卡厚度不得小于30 mm。卡入“U”型卡后，需要在兩側設置緊固螺栓，保證“U”型卡在使用過程中不會脫出。其固定結構如圖3。

圖3 前探梁臨時固定結構示意圖（mm）

在進行巷道掘進作業過程中，為了避免在爆破時注漿加固區域的碎石脫落，影響鋼棚的穩定性，需要在鋼棚的棚腿位置采用“U”型卡進行加固。棚腿位置的“U”型卡呈三角狀分布，每隔三個棚腿進行一次固定。所使用的“U”型卡應具備更高的結構強度，采用高強度不銹鋼制作，兩側分別燒焊一個直徑為22 mm 的圓盤并用規格為Φ20 mm×2000 mm的高強度左旋螺紋鋼錨桿進行加固。整體固定結構如圖4。

圖4 棚腿加固方案圖（mm）

2.2 錨網索鋼棚聯合支護

在揭露老空區域前后各10 m 的區域內利用錨網索+鋼棚進行聯合支護，為提高支護效率，在過老空期間，可以采用鋼棚支護。在老空區域前后側各20 m 的區域內，以高強度錨索為基礎按2-2-2 的方式進行布置。根據地質結構，在進行永久支護時需要先打設錨索網支護，再進行鋼棚的支護。鋼棚的棚距不大于500 mm 且需要滯后錨網索永久支護一個排架的距離，在鋼棚的棚梁和棚腿位置各設置2 組拉桿，提高鋼棚的穩定性。永久支護如圖5。

圖5 井下巷道永久支護結構示意圖（mm）

在支護時，頂板采用Φ20 mm×2000 mm 高強度錨桿配W 鋼帶支護，錨桿間排距為1000 mm×900 mm，鋪設雙層菱形金屬護網。巷道兩幫采用Φ20 mm×2000 mm 的高強度錨桿配W 鋼帶支護，錨桿間距和頂板錨桿支護間距一致。

3 支護效果

對掘進期間巷道圍巖變形情況結果如圖6。

圖6 新型支護方案下巷道變形量統計

采用新的過老空區支護方案后，巷道兩幫的移近量由最初的260 mm 降低到了目前的109 mm，變形量降低了58.1%；巷道頂板的下沉量由最初的227 mm 降低到了目前的91.6 mm，變形量降低了59.6%；巷道的底鼓量由最初的76.8 mm 降低到了目前的19.7 mm，底鼓量降低了74.3%。新的支護方案顯著提升了騰暉煤業井下過老空期間巷道掘進的穩定性。

4 結論

針對騰暉煤業2#煤層復采區條件，提出了采用圍巖注漿充填加固+快速支護技術，結果表明：

（1）在已探測有空巷且已揭露的情況下采用鉆孔注漿加固方案，在已揭露空巷且采空區未垮落的位置采用開放式注漿，能夠有效提升注漿的可靠性；

（2）臨時支護、錨網索+鋼棚永久支護相結合的巷道支護結構，能夠根據不同區域針對性地進行支護，在保證支護安全性的基礎上提高了支護效率；

（3）巷道兩幫的移近量比優化前降低了58.1%，巷道頂板變形量比優化前降低了59.6%，巷道底鼓量比優化前降低了74.3%，巷道的掘進效率由60～70 m/月提升至100 m/月以上，有效提升了騰暉煤業掘進效率和安全性。