煤炭工業中新型注漿工藝的經濟性分析

李旭亮， 梁福兵， 秦 濤， 楊雅卓

（山西長治聯盛首陽山煤業有限公司， 山西 長治 046099）

0 引言

首陽山煤業3 號煤層賦存區域全部遭到了開采破壞，復采時重新掘進巷道要通過以往的老空區，雖然在順槽進行了鋼棚支護，可是頂板管理難度非常大，煤巖體的整體穩定性和承載能力很差[1]，極易發生設備下沉、工作面冒頂等事故，嚴重影響工作面的生產安全和生產效率，因此必須及時有效地維護好頂板，才能安全通過老巷，確保生產安全[2-5]。依托于現代工業的高度科技化進步，本文對首陽山煤業3106綜采工作面空巷開展注漿充填加固應用，并分析了其帶來的良好效益。通過現代化工藝的應用，確保了工作面的生產安全，生產效率得到保障，也為煤炭工業經濟的健康發展提供助力。

1 工程概況

本次施工所在的3 號煤層位于山西組下部，上距K8 砂巖底45 m 左右，下距K7 細砂巖8 m 左右。煤層厚5.05～5.15 m，平均5.11 m，為厚煤層。含1 層炭質泥巖夾矸，結構簡單，厚度大，井田北部和東部大面積剝蝕，僅賦存于井田西部。煤層賦存條件穩定可采，3 號煤層的直接頂為粉砂質泥巖，其上方的基本頂和底板均為泥巖，都具有良好的隔水性能。

3106 工作面位于井田西側邊界，如圖1 所示，整體地勢呈現北高南低的趨勢。3106 工作面主要被1996、1998 小煤窯破壞區影響，采空區不僅大面積存在且分布無規律。根據現場調查情況，3106 回風順槽整體煤壁和頂板都遭到不同程度的破壞，目前巷道內采用工字鋼進行支護。

圖1 3106 工作面底板等高線示意圖

2 注漿加固方案

根據3106 工作面內實際情況，且煤壁遭到一定程度的破壞，因此設計采用分段注漿的方法進行施工。在施工時，先進行淺孔施工，先用低壓對淺孔進行注漿，具有膠結性的漿體可以封堵淺部破碎圍巖的裂隙，如此在保證圍巖完整的基礎上，可以避免之后注漿時有漿液滲漏。完成煤壁加護后，再進行深孔施工，高壓對深孔進行補強注漿加固，使內部破碎巖體的承載能力得到提升。

在施工時，鉆孔應向頂板方向仰起，利用重力使漿液得到充分擴散，實現采空區密閉、掘進迎頭正前方老巷完全充填滿，冒落矸石實現膠結，巷道掘進至老巷位置時，矸石及膠結料可形成一個整體作為人工假頂。

3 注漿加固治理

3.1 注漿孔布置

由于3106 運輸順槽內皮帶的影響，鉆機在3106運輸順槽內無法進行大幅度活動，所以主鉆孔工作場地設于3106 回風順槽內，輔助工作在3106 運輸順槽開展。每個鉆場間隔20 m 分布于3106 回風順槽內，鉆孔深淺交替排列。淺孔加固煤壁，深孔以5°～10°的仰角鉆進至破碎區。淺孔每排1 個，孔深6 m，20 m一排；深孔每排兩個，孔深以實際施工為準，20 m 一排。鉆孔布置如圖2 所示。

圖2 鉆孔布置斷面圖

3.2 注漿孔設計

1）鉆孔直徑：充填管的內徑為2.5 英寸（63.5 mm）或2.0 英寸（50.8 mm），選用50 mm 的鉆桿，開孔直徑110 mm，終孔直徑75 mm。

2）鉆孔終孔高度和深度：煤層厚度4.5 m，巷道掘進高度2.6 m，上方1.9 m 頂煤（綜采工作面采高2.4 m、頂煤高度2.1 m），直接頂為3.43 m 砂質泥巖。為實現膠結后頂板穩定性及減少充填成本兩個目的，終孔位置距離巷道頂板3 m 左右較為合適。終孔深度應以實際到達破碎區的深度為準，且終孔位置需要滿足高度要求。

3）封孔方式：采用囊袋“兩堵一注”封孔（封孔長度2 m）或者注水封孔器封孔。

3.3 注漿材料

本次施工設計采用粉煤灰加固化劑作為注漿材料，主要原材料成分見表1，粉煤灰固化充填材料的特點主要有：由于粉煤灰為主要成分，不但可以做到廢物利用，還能大大降低充填成本；粉煤灰與固化劑混合漿體流動性能好，可以均勻充填各類地下空洞和空隙，快速且具有一定強度，而且沉縮率小，操作工藝簡單、安全。粉煤灰固化充填材料在粉煤灰水化和固化過程中不產生有害氣體，對環境無污染，成本較低。粉煤灰固化充填材料不僅單漿可以長距離輸送，雙漿混合后速凝且時間可調，而且其高強性能和微膨脹性令其固結后能夠及時承擔承載作用，是一種經濟又環保的材料。

表1 粉煤灰固化劑的主要原材料成分

無機粉煤灰固化劑為無機材料、呈粉末狀。單位質量的粉煤灰固化劑能夠固結5～25 倍粉煤灰，粉煤灰漿液與固化劑漿液混合后，初凝需要5～90 min，終凝需要120～240 min，凝結體不僅不吸水，而且受熱失水速度很慢。用在礦井空巷充填、采空區充填等領域時，具有明顯的經濟社會效益。

由于可以超前進行兩順槽回采幫打孔老巷充填，而回采推進到充填區域所需要的時間較長，漿液凝固速度會稍慢一些，因此漿液配比為：固化比1∶15，粉煤灰漿液水灰質量比0.8∶1，即使用1 t 固化劑配15 t粉煤灰、12 t 水制漿。

4 應用效果分析

4.1 社會經濟效益

在進行注漿加固前，巷道掘進安全隱患時所采取的補打錨桿、錨索進行補強支護成本投入較大，實際投入成本是設計時成本的1.5 倍左右。進行注漿加固之后，整體成型質量有所提高以外，冒頂現象也大大減少，每年可節約人工和材料投入成本約300 萬元。除此之外，由于有效的加固支護，巷道掘進效率的提升帶來的是煤炭產量的有效釋放，較注漿加固之后增產240 萬t，有效解決了礦井工作面連續開采的問題。隨著該工藝進一步的深入研究和發展，將不斷促進煤礦的綠色高效開采，具有十分良好的社會經濟效益。

4.2 工業安全效益

為了觀測注漿加固施工完成之后的空巷圍巖控制效果，通過在巷道安置監測點觀測圍巖位移情況。通過觀測可知，初期時巷道圍巖位移量呈快速增加的趨勢，當時間到達一定峰值后開始走向平穩，此后巷道頂底板和兩幫的最大移動量均在安全允許范圍之內。此外經過觀測發現注漿后的頂板具有良好的完整性，冒頂狀況顯著改善，說明此次施工效果良好。不僅增加了巷道圍巖的整體的穩定和安全，而且每天正常采煤情況下（檢修、檢查、停工或其他不可抗力等情形除外）工作面推進速度提高到了3 m/d，效率明顯提高，表明注漿加固工藝的應用有效增強了煤巖體的整體性和穩定性，保證了煤炭開采的安全生產。

4.3 綜合管理效益

注漿加固后，帶來的不僅是掘進效率的提升，還有大量人力、資金、時間成本的節約，如此便有利于企業有更多的資源投入到運營管理中，以便制定科學合理的產、運、銷一體化經營戰略。在煤炭工業生產中，投入資金便可更新智能化設備，通過現代化、精細化的管理模式，強化運營管控，優化業務流程，不斷提質增效，進而能夠提高煤炭企業的整體競爭力，不斷釋放新時代煤炭工業經濟企業的活力、動力。

5 結語

通過實地應用觀測表明，對3016 工作面開展注漿加固施工以后，工作面冒頂的發生概率大幅降低，使巷道的整體性、穩定性得到改善。這項工藝不但保證了掘進工作的高效開展，為工作面過老巷時創造了安全的條件，還取得了社會和經濟等多方面的良好效益。在新時代煤炭工業經濟激烈競爭環境下，為煤炭企業提供了增強市場競爭力的有力法寶，持續助力企業的可持續發展，為煤炭工業經濟發展添磚加瓦。