綜采工作面沿空掘巷小煤柱巷幫注漿加固技術實踐

董 凱

（山西平舒煤業有限公司，山西 晉中 045400）

1 工程概況

晉能控股煤業集團塔山礦8230 工作面位于二盤區西南部，東南以二盤區輔運巷為界，北西至四盤區盤區界線。工作面上覆為侏羅系古窯采空區，蓋山厚度為359~610 m，平均479 m。煤層厚度14.29~24.38 m，傾角1~3°，煤層結構復雜，煤層中含7~15 層夾矸，夾矸厚度在2.06~3.61 m 之間變化，平均2.84 m，夾矸單層厚度為0.05~0.75 m，局部分層。工作面老頂為粗砂巖，厚度1.20~19.70 m，主含石英，分選中等，磨圓度好；直接頂為泥巖，平均厚度8.55 m，塊狀，均一結構，性脆，斷口貝殼狀，含植物化石，局部火成巖侵入，變質硅化，中間夾2#煤層，厚度2.36 m；直接底為深灰色砂質泥巖，平均厚度5.71 m，局部賦存6#煤層，厚度為1.50 m；老底為粗砂巖，平均厚度4.43 m，石英為主，長石次之，鈣質膠結，含暗色礦物，分選差，次圓狀。

5230 巷相鄰的8228 工作面于2020 年3 月回采結束，距5230 巷道掘進已經歷7 個月的穩定時期。8228采空區對應地表已經穩定，上覆巖層運動也處于穩定狀態，采空區一側的應力狀態已經形成，應力降低區已經穩定出現。8230 工作面采取留設小煤柱沿空掘巷方式布置巷道，5230 巷為8230 工作面沿空掘巷巷道，巷道設計長度約1 972 m，小煤柱留設寬度為8 m，小煤柱一側已采取噴漿封閉。目前受8228采空區影響，巷道已經明顯兩幫移近，最大移近量達到1.3 m，煤體已經疏軟，漿皮脫落，隨時可能引起小煤柱失穩，給工作面后期回采帶來隱患。因此考慮采用注漿的方式對小煤柱一側煤幫進行加固，對小煤柱一側圍巖進行加強，提高煤體的整體性和完整性，提高煤柱的承載能力，確保巷道的穩定性，為工作面的安全高效開采創造條件。

2 5230巷小煤柱側注漿加固方案

2.1 小煤柱注漿鉆孔布置參數

5230 巷注漿全長600 m，巷道為矩形斷面，巷道掘寬5 200 mm，掘高3 800 mm，凈寬5 100 mm，凈高3 600 mm。結合現場巷道高度、巷道錨桿（索）支護參數以及現場風水管路布設等因素，設計小煤柱注漿鉆孔參數如下：

小煤柱注漿鉆孔分上、下兩排，呈“三花”布置，注漿鉆孔直徑不小于42 mm，鉆孔深度5 m，每排相鄰鉆孔水平間距為4 m，上、下排相鄰鉆孔水平間距為2 m，下排孔開孔高度距離巷道底板1.5 m，上排孔距離巷道底板2.5 m，下排鉆孔垂直煤幫打設，上排鉆孔施工10°仰角，鉆孔由里向外依次編號，鉆孔布置圖及注漿示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 5230巷小煤柱注漿鉆孔布置示意圖

圖2 1-I剖面注漿示意圖

2.2 封孔材料與注漿材料

封孔材料與注漿材料均采用無機雙液注漿材料，該注漿材料由A、B 兩種組分組成，封孔水灰比0.7∶1，注漿水灰比0.8∶1。單料加水攪拌后可單獨存放24 h以上，混合后0~5 min 失去流動性，5~15 min 完全固化，2 h強度可達8~15 MPa，適合封孔和淺孔注漿加固[1]。

2.3 注漿設備

1）注漿泵

封孔和注漿使用雙液氣動注漿泵，可以實現雙液注漿，該注漿泵具有體積小、質量輕、方便移動等特點，如下圖3所示。

圖3 氣動注漿泵外觀結構圖

2）攪拌桶

攪拌桶采用礦用氣動式攪拌桶，型號為QB300，如圖4，該攪拌桶具有重量輕、強度高、便于移動等特點，適用于井下不斷調整注漿地點的施工狀況[2]。

圖4 煤礦用氣動式攪拌桶外觀結構圖

3）雙液注漿系統

無機雙液注漿材料注漿系統如圖5所示。

圖5 雙液材料注漿系統示意圖

2.4 注漿管及封孔工藝

1）注漿管

注漿孔深5.0 m，鋼管插入鉆孔的長度為4.0 m，尺寸為2 節2 m 長的4 分鋼管，鋼管一端為板牙機車絲，鋼絲長度約10~15 mm[3]，見圖6。

圖6 注漿管示意圖

2）封孔工藝

注漿封孔對注漿質量影響較大，根據鉆孔長度及圍巖破碎狀況，取封孔深度為1.0 m，封孔方法如圖7所示。首先，將注漿鋼管封孔段兩端采用纏繞棉紗的方式進行封堵，而后注入無機雙液注漿材料到中間段進行封孔，大約等待20 min左右，當雙液注漿材料實現初步凝固且封孔作業完成后即可實施注漿作業[4]。

圖7 注漿封孔方法示意圖

2.5 注漿壓力和單孔注漿量

1）注漿壓力

注漿壓力是影響注漿效果的重要技術參數。在實際施工過程中，注漿壓力是根據煤巖體的裂縫發育情況確定的，注漿壓力一般小于5 MPa。注漿壓力采用先低壓后高壓的方式，并且注漿壓力參數必須根據注漿速率和泄漏情況及時進行調整。

2）注漿量

由于煤柱寬度僅有8 m，小煤柱注漿為淺孔注漿，注漿孔設計尺寸較短，單孔注漿量有限。如果煤柱內部煤體破碎、裂隙導通，注漿時漿液可能從煤柱裂隙流入采空區，致使漿液損失，因此，結合現場情況，單孔注漿量不宜超過1 t，如單孔注漿量達到1 t且注漿壓力不增加，存在漏漿至采空區的可能性，則停止本孔注漿，在附近范圍內補打注漿孔重新注漿，補打孔的位置依據現場情況確定。

2.6 安全措施

工作面回采過程中，由于小煤柱存在裂隙、孔隙發育、封孔長度有限等問題，因此，如何防止漏漿是注漿施工的重點研究內容。當遇到嚴重的漏漿狀況時，需將注漿泵暫停，或調整節流閥，以降低注漿速度；同時，注漿泵暫停時間不得超過3 min，每3 min 左右需開啟一次注漿泵[5]，讓泵的活塞往復移動2 次，而后再停止注漿泵，這樣反復多次啟停，直至注入的漿液全部填滿滲漿裂隙為止，之后再繼續進行正常的起泵注漿；而如果出現裂縫尺寸較大的滲漿通道時，可采用棉紗對滲漿通道進行初期填充，以輔助漿液對漏漿通道進行封堵[6-7]。

3 注漿加固效果分析

小煤柱注漿加固完成后，在開采過程中，對沿空巷道兩側圍巖的變形情況進行觀測，結果顯示：未注漿加固段煤柱幫變形比較嚴重，巷道實體煤幫破碎情況較嚴重，煤柱幫最大變形量約0.8 m，注漿加固之后，由于注漿加固使煤柱內部破碎區整體性增強，內部承載性能增大，煤柱幫的變形量大大減少，最大變形量不足0.1 m，注漿加固方案可顯著提高煤柱的剛度和穩定性，降低巷道圍巖變形量。

4 結論

將無機雙液注漿加固技術應用于小煤柱綜采工作面，除了能夠加固煤柱，提高煤柱強度之外，還能夠有效提高煤柱的承載能力；同時，隨著無機雙液注漿材料的不斷注入，煤柱中存在的各種裂隙、孔隙及產生的破碎區域亦將被封堵，從而可以大大減少開采過程中采空區與工作面之間的氣體交換，在一定程度上避免了工作面開采過程中采空區發生自燃的問題。因此，注漿加固技術是控制小煤柱綜采工作面開采中煤柱破碎、裂隙發育和圍巖穩定性差的有效手段之一。該技術的成功應用將為今后該地區小煤柱工作面的開采和治理提供參考。