張勇利，任晨陽

(山西煤炭運銷集團 三元古韓荊寶煤業(yè)有限公司，山西 長治 046200)

1 研究背景

三元古韓荊寶煤業(yè)有限公司為兼并重組整合礦井，正在開采3號煤層，煤層標高+500.00～+940.00 m。三采區(qū)處于井田東部，三采區(qū)機軌巷、回風巷設計沿北西-南東向布置。由于三采區(qū)為原天利煤礦生產區(qū)域，采區(qū)內資源受小煤窯破壞較嚴重，機軌巷和回風巷掘進過程中揭露多條舊巷和老空，舊巷和老空內存在積水，對頂板、水害、有毒有害氣體管理造成相當大的困難。

揭露的老空區(qū)多數為耙斗回采巷道，其特點是：老空走向距離較長，橫向最小跨度均超過10 m，老空范圍內直接頂全部垮落，垮落高度均超過了2 m。掘進工作面揭露老空后，老空區(qū)范圍普遍較大。雖然老空直接頂垮落后，頂板壓力趨于穩(wěn)定，但是在維護老空期間，僅僅只能沿巷道掘進方向及其兩側5 m范圍進行錨網索補強支護，特別是掘進巷道與老空相交后，兩側向外沒有煤柱支撐，懸頂面積較大，不能為巷道兩側以外的老空區(qū)提供有效的支撐力。而且維護老空時，工程量較大，費時、費力，且存在較大安全隱患。

針對該情況，通過考察研究，并結合相鄰礦井過舊巷、老空經驗，決定采用鋁基高固水材料注漿充填技術對老空進行充填，并優(yōu)化了巷道支護設計，確保掘進巷道順利穿過老空。

2 鋁基高固水材料注漿充填技術

2.1 鋁基高水注漿材料簡介

老空充填注漿材料為鋁基高固水材料。該材料具有早強、快硬的特點，初凝與終凝時間較短。水固比越大，凝結時間越長，反之則短。其凝固時間在水灰比為3∶1的條件下，初凝時間為2 min，以控制漿液自由流動4～7 m范圍，材料7 d后強度增長緩慢,凝固強度為2～4 MPa。充填材料由A料、B料分別與水混合制成漿體，其中A料、B料獨立的漿體在24 h內不凝結。使用時分別通過兩趟獨立的管道輸送至充填地點附近約10 m處，將兩趟獨立的管路(二合一)混合后再輸送至充填老空區(qū)內。

2.2 鋁基高水材料采空區(qū)充填工藝

鋁基高固水材料漿體流動性十分好，當對不同形態(tài)的采空區(qū)進行注漿充填時，需提出相適應的充填方法與充填工藝。根據掘進工作面鉆孔已探明空巷的位置分布，提出了開放式和鉆孔式兩種工藝與方法，工藝流程如圖1所示。

圖1 注漿充填工藝流程

1) 開放式充填方法。該方法是在已揭露的空巷能夠觀察到并且采空區(qū)未垮落的情況下，無法對采空區(qū)進行調控，此時采空區(qū)上覆巖層部分垮落，空巷完全處于開放與自由狀態(tài)時采取的充填方式。

在進行充填時，采空區(qū)內的注漿漿液逐漸固化?？筛鶕袒^程分成四個階段：初凝階段、過渡階段、固化基本完成階段與固化完成階段，如圖2所示。

圖2 注漿充填體固化階段劃分示意

2) 鉆孔式注漿充填法。該方法在已探測有空巷但未揭露的情況下，對采空區(qū)進行鉆孔注漿充填加固，使得老空內垮落的矸石、煤塊(煤粉)能夠與周圍煤體成為一個整體，防止片幫冒頂，以提高施工效率，如圖3所示。

圖3 鉆孔式注漿充填法示意

掘進工作面距離老空區(qū)剩余5 m時，停止向前掘進。在工作面迎頭位置施工注漿鉆孔，注漿鉆孔探透老空區(qū)后，對老空區(qū)進行注漿充填施工。隨后再根據老空區(qū)的充填情況調整技術方案，另行補打鉆孔對老空區(qū)注漿充填，直至將掘進范圍內老空區(qū)內冒落的巖石和煤體膠結為一體。

為了確保注漿效果，注漿孔眼口高度布置在距巷道頂板向下1～1.5 m處，根據巷道寬度均勻布置3個注漿孔，分別為左20°孔、中孔、右20°孔，實現(xiàn)對正前方老空區(qū)及其兩幫向外5～10 m的區(qū)域進行全覆蓋，鉆孔角度可根據老空位置進行調整。注漿孔孔徑為50 mm，鉆孔深度以探測到空巷為準。注漿孔內埋入直徑為1.5寸的鋼管作為注漿管，注漿管長度10 m。

3) 注漿順序。為了保證注漿效果，分多次循環(huán)注漿。第一次注漿先注中孔，將掘進工作面正前方充填。其次，分別在注左20°孔、右20°孔，最終實現(xiàn)掘進工作面及其兩側5～10 m范圍內垮落的巖石和煤體膠結為整體，保證總的注漿效果。

4) 注漿充填注意事項。①根據現(xiàn)場老空積水、煤體破碎等情況，及時對注漿充填材料配比進行調整，確保充填效果達到最佳。②注漿充填期間，對工作面迎頭范圍內的破碎煤體要用封堵材料封堵嚴實，確保注漿充填材料不從裂隙中跑漏，浪費材料。③注漿泵、注漿管路離工作面距離不宜過遠，避免因距離較遠、泵站壓力不夠、管路距離較長造成漿液在管路內積沉造成堵塞。

3 回風巷過空期間支護設計

3.1 永久支護設計

三采區(qū)回風巷掘進面在揭露老空1 m前，采用鉆孔式注漿充填法對老空進行充填；揭露老空前后5 m采用錨網索+工字鋼棚復合支護，由于充填材料影響，過空期間采用單一架設工字鋼棚支護通過老空。錨網索永久支護排距為1 000 mm，老空前后10 m錨索布置方式由“2-0-1-0-2”變更為“2-2-2”，梯形工字鋼棚棚距為500 mm，兩者交替布置。先打設錨網索永久支護后，再架設工字鋼棚支護，工字鋼棚支護滯后錨網索永久支護一排架設，為了增加工字鋼棚的穩(wěn)定性，固定工字鋼棚的拉桿每架棚6組拉桿(棚梁、棚腿各采用2根拉桿)。

3.2 臨時支護設計

1) 過空期間，采用金屬前探梁進行臨時支護，為了確保前探梁固定的整體性，采用了“U”形卡將前探梁固定在棚梁上的凹槽內?！癠”形卡采用厚度2 cm的鋼板焊制，“U”形卡的兩側分別焊制2套16 mm×50 mm的螺栓，將兩側螺栓緊固后，使其卡在工字鋼的凹槽內進行固定，見圖4。

圖4 過老空期間金屬前探梁臨時支護(mm)

2) 過老空期間，為了防止松動爆破注漿膠結垮落巖石導致工字鋼棚歪倒，采用了U形固定卡固定工字鋼棚棚腿。固定棚腿時，每側棚腿采用3副U形卡固定，每間隔3架工字鋼棚，固定1架工字鋼棚棚腿。固定棚腿的U形卡采用40板鐵制作，U形卡的兩端分別燒焊D22 mm的圓孔，每副卡箍采用2套D20 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿將卡箍與棚腿固定在巷幫，見圖5。

圖5 過老空期間梯形工字鋼棚支護加固示意(mm)

4 現(xiàn)場應用情況

三采區(qū)回風巷掘進過空期間采用錨網索+工字鋼棚復合支護，充填過老空方式成功解決了費時、費力且頂板管理、積水積氣管理難度大的問題。采取錨網索+工字鋼棚復合支護順利穿過1號～3號老空。巷道圍巖變形量見圖6。

圖6 巷道圍巖變形

由圖6可知：巷道的頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量及深部位移在巷道掘進初期快速增加，當掘進工作面向前推進至大概50 m遠時，巷道圍巖的變形速率開始逐漸減小，變形趨于穩(wěn)定。最終，巷道兩幫移近量達110 mm，頂板下沉量達91 mm，底鼓量達21 mm，3 m深度的頂板深部位移為54 mm，8 m深度的頂板深部位移為16 mm?，F(xiàn)場應用表明，注漿充填技術和支護技術成效良好，保障了工作面過空的安全。

5 結 語

1) 為解決三采區(qū)回風巷掘進過空期間的安全問題，提出采取充填注漿和支護優(yōu)化的措施加強對巷道圍巖的控制。

2) 采取充填注漿和支護優(yōu)化措施后，順利穿過1號～3號老空?，F(xiàn)場應用效果良好，能夠保障巷道安全，巷道圍巖變形量在可控范圍內。