劉 超

(汾西礦業(yè)集團 正幫煤業(yè)，山西 孝義 032300)

當?shù)V井回采煤層地質(zhì)條件復雜或者上覆有小煤窯采空區(qū)時，采掘作業(yè)面頂板破碎、冒頂、底板下滑等是制約煤炭安全開采的不利因素。現(xiàn)階段破碎、垮落頂板常用的處理技術包括木垛法、注漿法、架棚法、錨固法以及硬過法等，其中注漿法具有處理效果好、效率高、安全性高等優(yōu)勢，在煤礦井下應用較為廣泛。山西某礦12206工作面在回采時揭露小煤窯采空區(qū)，預計采面在小煤窯采空區(qū)內(nèi)推進時會出現(xiàn)頂板矸石垮落問題，給采面回采安全帶來嚴重威脅。為此，礦井提出使用注漿充填方式對采空區(qū)內(nèi)垮落矸石進行處理。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

12206工作面回采的2號煤層平均厚度4.5 m，在煤層下部夾雜有1～3層厚度0.1～0.28 m的粉砂巖矸石，煤層傾角平均13°。2號煤層上覆有厚度小于0.5 m的炭質(zhì)泥巖，直接頂為灰黑色砂質(zhì)泥巖、厚度4.5 m，基本頂為粉砂巖、厚度7.9 m；直接底為炭質(zhì)泥巖，厚度2.9 m。根據(jù)臨近工作面回采情況以及回采巷道揭露地質(zhì)資料顯示，采面開采范圍內(nèi)水文地質(zhì)簡單，僅在斷層或者頂板裂隙發(fā)育位置有少量淋水，淋水量一般在1.5 m3/h以內(nèi)。

1.2 生產(chǎn)概況

巷道掘進以及物探探測成果大致判定的小煤窯采空區(qū)分布位置如圖1所示。小煤窯回采工作面回采高度在2.0 m、寬度在10 m，物探初步圈定的小煤窯采空區(qū)面積約為4 800 m2。在小煤窯回采區(qū)內(nèi)留有2.5 m厚的底煤以及大量護巷煤柱，煤炭綜合采收率僅為30%.若不對小煤窯采空區(qū)進行復采，會造成大量煤炭資源的浪費；若復采則存在頂板垮落嚴重的問題，對采面回采造成安全威脅。

圖1 小煤窯采空區(qū)分布位置示意

2 綜合治理技術方案

在12206工作面回采范圍內(nèi)存在小煤窯采空區(qū)，采用物探確定的采空區(qū)范圍精度較低，同時采空區(qū)面積較大，頂板垮落區(qū)域相互溝通，提高采空區(qū)垮落巖石穩(wěn)定性不僅有利于采面回采，而且便于頂板管理。注漿是提高破碎巖體穩(wěn)定性常用技術方法，為此，采用注漿技術方法對垮落區(qū)破碎巖體進行加固，以解決采面回采期間頂板垮落問題。

2.1 注漿材料確定

煤礦井下常用的注漿材料有化學類(有機類)、水泥類(無機類)兩種?；瘜W類漿液有便于注漿、漿液滲透性好等優(yōu)點，但存在普遍有毒、成本高以及污染環(huán)境等缺點，注漿膠結后巖體強度也較低。水泥類可具體細分為水泥單液漿、高水速凝材料以及水泥-水玻璃雙液漿。水泥單液漿在現(xiàn)場應用時存在可注性差，結石率低，沁水、凝結時間長以及注漿控制難度高等問題；水泥-水玻璃雙液漿雖然結石率較高，但是固結后的巖體在水影響下強度會明顯降低，雖然小煤窯采空區(qū)淋水量較低，但是也會對加固效果產(chǎn)生顯著影響；高水速凝材料具有膠結時間易調(diào)節(jié)、可注性好、水灰比高、膠結不沁水以及100%結石等優(yōu)點，同時材料具有一定的“親水”特性，即膠結后巖體在水作用下強度會有所增強。通過綜合比對，決定在12206工作面過小煤窯采空區(qū)中采用高水速凝材料對破碎矸石進行加固。在注漿加固時，將材料水灰比確定為2.5∶1，并依據(jù)現(xiàn)場實際情況進行適當調(diào)整，從而滿足漿液流動、凝結等的需要。

2.2 注漿參數(shù)

2.2.1 注漿時間

注漿時間與注漿巖體內(nèi)裂隙發(fā)育情況、注漿量以及漿液在裂隙中的擴展速度等有關。由于注漿區(qū)域位于采空區(qū)，因此注漿時間不能以傳統(tǒng)的“注漿漿液充滿圍巖裂隙”為判定依據(jù)，而是應根據(jù)現(xiàn)場情況將“采空區(qū)破碎巖體是否有效膠結”作為判定指標。在注漿時注漿時間依據(jù)注漿壓力、注漿量等參數(shù)綜合確定。

2.2.2 注漿壓力

注漿加固區(qū)域內(nèi)采空區(qū)，采空區(qū)破碎巖體性質(zhì)決定注漿壓力不應過大。采空區(qū)內(nèi)垮落矸石間空隙較大，漿液充填阻力相對較小，注漿時注漿阻力主要由注漿管路引起。根據(jù)以往注漿經(jīng)驗以及相關研究成果，將注漿壓力確定為0.5 MPa。

2.2.3 注漿量

由于小煤窯采空區(qū)面積相對較大，在注漿過程中確定注漿量較為困難。在具體注漿時注漿漿液液面以超過底煤頂板2.0 m為宜。因此，在實際操作時應依據(jù)鄰近鉆孔跑漿情況以及注漿量來確定鉆孔單孔注漿量。

2.2.4 注漿漿液擴散半徑

注漿漿液擴散半徑與注漿孔孔深、位置、注漿漿液、裂隙擴展情況以及注漿壓力等相關。在12206工作面注漿時由于漿液在采空區(qū)范圍大，注漿半徑對注漿效果影響有限，同時注漿漿液在采空區(qū)垮落矸石間流動、注漿半徑確定較為困難。依據(jù)12206工作面前方采空區(qū)垮落矸石破碎情況，初步確定漿液擴散半徑為3.0 m。

2.2.5 注漿孔布置

注漿孔布置會直接影響注漿效果。在采面內(nèi)布置注漿孔雖然注漿針對性更強，但是存在注漿影響采面正?；夭桑@孔施工困難以及漏漿、跑漿嚴重等問題。在回采巷道內(nèi)注漿時，不僅可實現(xiàn)超前注漿，而且在煤層傾角影響下漿液下行，更容易膠結采空區(qū)下部垮落的矸石。因此，決定在采面回風巷內(nèi)布置注漿孔對小煤窯采空區(qū)進行注漿加固。在回風巷內(nèi)布置的注漿孔有淺孔、深孔兩種，淺孔注漿長度為5.0 m、間距3.0 m，開孔位置距離回風巷頂板0.8 m；深孔長度以鉆孔鉆進至采空區(qū)為準，間距為10.0 m，開孔距離回風巷頂板1.2 m。具體注漿孔布置如圖2所示。

圖2 注漿孔布置示意

3 注漿加固效果分析

在采面初采時即開始在回風巷布置注漿孔對采面小煤窯采空區(qū)進行注漿加固，具體注漿加固時間為2020年5月至2020年8月。注漿采用型號2ZBSB8～1.1/6-22注漿泵，注漿壓力為0.5 MPa。注漿結束后采面與注漿加固點間距仍有200 m，注漿工作不會影響采面正常生產(chǎn)。根據(jù)小煤窯采空區(qū)面積以及注漿量，確定注漿加固面積約為4 850 m2。加固完成后，從采面回采至加固區(qū)域揭露的采空區(qū)垮落矸石情況可以看出，垮落矸石穩(wěn)定性得以顯著提升。

在采面回采巷內(nèi)通過注漿加固后，采面過采空區(qū)垮落區(qū)時架間漏矸、煤壁片幫問題基本消失，頂板垮落問題得以有效解決。采煤機開機率有效提升，基本不會出現(xiàn)因垮落矸石占用采煤時間的情況，為采面順利推進創(chuàng)造了良好條件，采煤機仍能保持3.2 m/d的推進速度。超前注漿加固后，采面基本不需要架設木垛接頂或者架設單體支柱對頂板進行支護，顯著降低了作業(yè)人員的勞動強度。

4 結 語

1) 12206回采工作面內(nèi)有小煤窯采空區(qū)，同時采空區(qū)垮落矸石下方有厚度2.5 m的煤層。采面在回采過程中由于煤層上覆為垮落矸石，若不處理直接回采極容易出現(xiàn)架間漏矸、頂板垮落以及煤壁片幫等問題。

2) 提出采用注漿方式加固采空區(qū)垮落矸石，并依據(jù)開采的2號煤層賦存情況對注漿加固材料以及加固參數(shù)進行布置，具體為：在12206回風巷內(nèi)布置淺、深鉆孔對垮落區(qū)進行加固，注漿漿液選用高水速凝材料，淺孔深度5.0 m、間距3.0 m，深孔深度以鉆進至采空區(qū)為準，間距10.0 m。

3) 現(xiàn)場應用后，小煤窯采空區(qū)下部垮落矸石基本被膠結，采面過采空區(qū)期間未出現(xiàn)頂板垮落、煤壁片幫等問題，回采速度保持在3.2 m/d，取得了較為顯著的應用成果。