宋曉彪

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 五陽煤礦，山西 長(zhǎng)治 046299）

0 引言

煤礦開采過程中，煤巖體既要受原巖應(yīng)力影響，也受采動(dòng)過程中引起的采動(dòng)應(yīng)力的影響，巷道所受的采動(dòng)附加應(yīng)力有時(shí)達(dá)到原巖應(yīng)力的2～5 倍[1]。工作面的超前集中應(yīng)力是引起工作面前方煤壁失穩(wěn)的主要因素。工作面煤壁不能承受所受的采動(dòng)應(yīng)力時(shí)，煤壁會(huì)多次出現(xiàn)片幫塌落、煤與瓦斯突出、局部頂板發(fā)生漏冒等現(xiàn)象，對(duì)工作面的回采造成嚴(yán)重影響[2]。

在面對(duì)圍巖破碎的開采情況下，因錨固劑與破碎巖體的錨固力常常不能達(dá)標(biāo)，致使錨桿索的錨固強(qiáng)度大幅度降低，不能滿足維護(hù)巷道穩(wěn)定的要求。因此，在破碎圍巖巷道中的支護(hù)一般采取注漿加固的方法[3-6]。

五陽煤礦7608 綜放工作面在回采過程中因工作面應(yīng)力集中引起前方煤壁失穩(wěn)，尤其是在工作面收尾階段，需要撤架的空間大，頂板裸露面積大，圍巖應(yīng)力集中系數(shù)也顯著增大。為保障安全生產(chǎn)，決定對(duì)7608 綜放工作面停采線附近頂板破碎區(qū)域進(jìn)行超前預(yù)注漿加固。

1 概況

7608 工作面位于+600 水平、76 采區(qū)，工作面地表位置位于原東周村，地面標(biāo)高+881—+892 m，工作面標(biāo)高+467—+515 m。工作面北部為7606 采空區(qū)，南部為76-2 號(hào)南部2 號(hào)回風(fēng)巷，西部為76-2 號(hào)南部回風(fēng)巷，東為76-2 號(hào)區(qū)段準(zhǔn)備巷道?；夭珊髸?huì)對(duì)原東周村造成一定影響。

7608 工作面開采對(duì)象為山西組中下部的3 號(hào)煤層，煤層賦存穩(wěn)定，厚度6.00 ～6.30 m，平均6.10 m，工作面回風(fēng)巷（里段） 側(cè)回采至218 m 左右，煤層存在局部變薄現(xiàn)象，煤層最薄處為5.80 m，煤層傾角+3°～+7°，平均+5°，含2 層夾矸，分為3 個(gè)自然分層，其結(jié)構(gòu)為6.10=1.49（0.01） 3.29（0.03） 1.28。

煤層老頂為粉砂巖、中粒石英砂巖互層，厚3.90～6.73 m，平均5.49 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖、泥巖互層，厚4.75～6.24 m，平均5.46 m，偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0.20～0.30 m，平均0.25 m，巖性為黑色，夾煤線或煤屑，節(jié)理發(fā)育，易冒落，f=2～3。

7608 工作面運(yùn)、回兩巷沿煤層偽傾向布置，總體趨勢(shì)為外高里低，運(yùn)巷高、回巷低，運(yùn)回兩巷均沿煤層頂板掘進(jìn)。運(yùn)輸巷長(zhǎng)639.7 m，巷道-10°～1°，平均坡度為-4.5°；回風(fēng)巷（外段）長(zhǎng)447 m，巷道坡度-14°～0，平均坡度為-6°；里切眼長(zhǎng)117 m，巷道坡度-11°～-6°，平均坡度為-7°；回風(fēng)巷（里段） 長(zhǎng)171.8 m，巷道坡度-11°～-4°，平均坡度為-8°；回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)巷長(zhǎng)214 m，巷道坡度-3°～1°，平均坡度為-1.5°；外切眼長(zhǎng)109.8 m，巷道坡度-8°～8°，平均坡度為0；回風(fēng)巷車場(chǎng)長(zhǎng)83.9 m，巷道坡度-9°～-3°，平均坡度為-6°。

2 注漿加固材料

注漿加固材料一般可以分為3 大類：水泥基注漿材料、化學(xué)注漿材料和水泥與化學(xué)復(fù)合注漿材料[4]。針對(duì)五陽煤礦7608 綜放工作面的圍巖地質(zhì)條件和停采段注漿加固煤巖體的服務(wù)期限，經(jīng)調(diào)研考察分析，選取山西中礦威特礦山技術(shù)開發(fā)有限公司自行研制生產(chǎn)的新型無機(jī)單液注漿材料耐固I 號(hào)作為此次工程試驗(yàn)的注漿加固材料。耐固I 號(hào)是一種單液注漿加固材料，具有可注性強(qiáng)、流動(dòng)性好、滲透性強(qiáng)、粘結(jié)性好等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)石體強(qiáng)度及充填率高，膠凝時(shí)間為45 min≤t≤240 min，24 h 強(qiáng)度可達(dá)25 MPa 以上，較為適合地質(zhì)構(gòu)造帶深孔預(yù)注漿和壁后注漿。

3 注漿加固方案

考慮到施工對(duì)工作面生產(chǎn)的影響，決定在工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的回風(fēng)通道，分別施工深孔注漿加固。

3.1 鉆孔布置

注漿范圍為停采線前方5 m 和后方20 m 范圍，根據(jù)7608 工作面實(shí)際情況及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，提出以下鉆孔布置方案。在工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷回風(fēng)通道內(nèi)聯(lián)合布置注漿鉆孔，鉆孔布置如圖1 所示。

圖1 注漿鉆孔布置示意Fig.1 The layout of grouting drilling

7608 回風(fēng)巷內(nèi)施工2 排鉆孔，下排鉆孔開孔高度1.0 m，上排鉆孔開孔高度2.5 m；上下排孔成“三花”布置，上排第一個(gè)鉆孔在停采線往前5 m位置開始施工，下排第一個(gè)鉆孔在停采線往前2.5 m 位置開始施工；上排孔間距5 m，下排孔間距5 m，上下排孔間距2.5 m；由于回風(fēng)巷是沿著煤層頂板布置，打設(shè)長(zhǎng)鉆孔時(shí)由于鉆桿自重，成孔會(huì)自動(dòng)往下偏斜，因此，上、下排孔均揚(yáng)起一定的角度并垂直煤壁施工，上排鉆孔角度為4°，下排鉆孔角度為6°，孔深均為80 m；巷道內(nèi)上排鉆孔施工6 個(gè)，下排鉆孔施工5 個(gè)，合計(jì)施工11 個(gè)80 m 的鉆孔。

7608 工作面膠帶運(yùn)輸巷由于布置有運(yùn)輸皮帶，鉆孔無法施工，因此，確定在工作面距離停采線20 m 左右時(shí)，從工作面垂直煤壁施工鉆孔。工作面內(nèi)共施工2 排鉆孔，下排鉆孔開孔高度1.0 m，上排鉆孔開孔高度2.5 m；上下排孔成“三花”布置，為防止從運(yùn)輸巷漏漿，必須在運(yùn)輸巷煤壁側(cè)留有止?jié){的保護(hù)帶，因此，上排第一個(gè)鉆孔在距離運(yùn)輸巷煤壁7 m 處開始施工，最后一個(gè)鉆孔在距離回風(fēng)施工鉆孔終孔位置約7 m 處開始施工；下排在距離運(yùn)輸巷煤壁10.5 m 處開始施工，最后一個(gè)鉆孔在距離回風(fēng)施工鉆孔終孔位置約10.5 m 處開始施工；上排孔孔間距7 m，下排孔間距7 m，上下排孔間距3.5 m；上、下排孔均為上仰施工的鉆孔，仰角為7°，孔深均為25 m，上排孔終孔位置距煤層頂板0.5 m；巷道內(nèi)上排鉆孔施工20 個(gè)，下排鉆孔施工19 個(gè)，合計(jì)施工39 個(gè)25 m 的鉆孔。

3.2 鉆孔施工

（1） 鉆孔時(shí)機(jī)。為不影響末采進(jìn)度，注漿深孔提前施工，回風(fēng)巷鉆孔施工完成后及時(shí)插入封孔鋼管和注漿導(dǎo)流管（PE 管），并進(jìn)行封孔。

（2） 回風(fēng)巷鉆孔鉆進(jìn)設(shè)備。采用礦方現(xiàn)有鉆機(jī)，配套φ50 mm 鉆桿、φ75 mm 鉆頭成孔。

（3） 工作面鉆孔鉆進(jìn)設(shè)備。手持式風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)，φ42 mm 鉆頭成孔。

3.3 注漿工藝參數(shù)

（1） 注漿時(shí)機(jī)。工作面推進(jìn)到距離70 m 左右時(shí)開始實(shí)施注漿。

（2） 注漿壓力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)漏漿情況，確定終孔注漿壓力不低于15 MPa，并在漏漿嚴(yán)重時(shí)降低注漿壓力。

（3） 單孔注漿量。單孔注漿量取決于超前支承壓力影響范圍和程度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步測(cè)算80 m長(zhǎng)鉆孔單孔注漿量為3 ～4 t/孔，25 m 長(zhǎng)注漿孔單孔注漿量為1.25 t/孔。

（4） 注漿設(shè)備。深孔注漿宜采用流量較大、額定注漿壓力較大的液壓注漿泵，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際，采用ZBYSB100/20-18.5（額定流量100 L/min，額定壓力22 MPa，功率18.5 kW，重量1.2 t，可為分體式） 型液壓注漿泵，配備2 個(gè)QB200 型氣動(dòng)攪拌桶。注漿系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 注漿系統(tǒng)連接示意Fig.2 Connection indication of grouting system

4 工業(yè)性試驗(yàn)

為全面檢查巷道注漿加固的穩(wěn)定性，監(jiān)控巷道煤巖體的應(yīng)力變化狀況，掌握圍巖的變形規(guī)律，確定支護(hù)方式是否達(dá)到巷道穩(wěn)定的要求。在工作面推進(jìn)到停采線區(qū)域附近，注漿巷道隔50 m 布置2 個(gè)測(cè)站，對(duì)巷道變化量進(jìn)行為期30 d 的觀測(cè)，每3 d觀測(cè)一次并記錄數(shù)據(jù)。圖3 為測(cè)站頂、底板及兩幫圍巖移近量隨時(shí)間變形量趨勢(shì)。

圖3 巷道圍巖隨時(shí)間變形量趨勢(shì)Fig.3 Trend of surrounding rock deformation over time

在30 d 的觀察期內(nèi)，注漿方案實(shí)行初期由于未能及時(shí)形成支護(hù)整體，巷道圍巖變形較大，巷道頂、底板移近量和兩幫移近量變化幅度大，變形量大。但在支護(hù)中后期時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，漿液與破碎圍巖形成整體結(jié)構(gòu)，可承受的支承壓力變大，測(cè)站1 頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在189.2 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在101.6 mm；測(cè)站2 頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在183.3 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在100.6 mm。圍巖變化趨于穩(wěn)定，可見注漿加固已基本滿足安全生產(chǎn)的需要。

5 結(jié)論

（1） 通過對(duì)工作面停采段撤架空間支護(hù)困難問題進(jìn)行分析，針對(duì)受采動(dòng)應(yīng)力大的巷道開采中由圍巖破碎導(dǎo)致支護(hù)困難的特點(diǎn)，采用新型注漿材料進(jìn)行注漿加固，解決了7608 綜放開采面破碎區(qū)域的掘進(jìn)穩(wěn)定性問題，保證快速安全生產(chǎn)。

（2） 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明，巷道采取注漿加固后，巷道頂、底板移近量及兩幫移近量變化幅度和變化量都較小，可以有效控制巷道圍巖變形，緩解頂板塌落和片幫的問題。該種支護(hù)方式為其他條件相似的綜放工作面維護(hù)提供了參考。