馬書劍

(山西汾西正文煤業(yè)有限責任公司,山西 孝義 032300)

資源整合礦井煤炭回采時面臨部分煤層被小煤窯開采破壞問題,受開采工藝及技術、設備等制約,小煤窯開采區(qū)存在不規(guī)則的采空區(qū)及廢棄巷道[1-2]。為實現(xiàn)煤炭資源經(jīng)濟開采,部分回采巷道難以避免需要掘進通過小煤窯采空區(qū),在掘進過程中巷道面臨圍巖破碎、應力復雜、瓦斯涌出等各種問題,給巷道掘進安全造成較大影響[3-5]。注漿可提高破碎圍巖承載能力及整體穩(wěn)定性,同時封堵漏風通道對提高巷道掘進安全保障能力有顯著促進意義[6-7]。為此,文中以山西某礦二采區(qū)回風巷掘進為工程背景,針對巷道掘進過小煤窯采空區(qū)期間面臨的圍巖破碎問題,提出采用超前注漿方式加固圍巖,同時根據(jù)現(xiàn)場條件針對性地提出圍巖支護技術措施,實現(xiàn)了巷道安全掘進及圍巖變形有效控制。

1 工程概況

山西某礦二采區(qū)回風巷沿3號煤層掘進,3號煤層厚度均值6.0 m、埋深180 m、傾角2°～6°,賦存穩(wěn)定,煤層頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、炭質泥巖以及砂質泥巖為主。二采區(qū)回風巷掘進區(qū)域存在小煤窯開采破壞區(qū),具體掘進情況見圖1.

圖1 二采區(qū)回風巷掘進位置示意

二采區(qū)回風巷斷面為梯形,巷道上部及下部掘寬分別為4.6 m、3.6 m,掘高為3.0 m,設計掘進長度為1 580 m,采用工字鋼架棚支護方式。根據(jù)已有資料顯示,二采區(qū)回風巷在掘進至250～390 m范圍時會揭露小煤窯采空區(qū),同時采空區(qū)內有保護煤柱,煤柱寬度為25 m,采空區(qū)內巖體破碎,煤柱穩(wěn)定性較差且裂隙發(fā)育。二采區(qū)回風巷在過小煤窯采空區(qū)時面臨圍巖破碎、頂板容易垮落以及巷道漏風嚴重等問題。為此,礦井經(jīng)過綜合研判,提出在過采空區(qū)時采用超前注漿方式加固采空區(qū)不穩(wěn)定巖體,并實現(xiàn)漏風裂隙封堵,以便為巷道圍巖支護創(chuàng)造良好條件。

2 巷道圍巖支護技術

2.1 超前注漿加固

二采區(qū)回風巷在采空區(qū)影響范圍內掘進時,在巷道迎頭布置超前注漿鉆孔,實現(xiàn)采空區(qū)內不穩(wěn)定、冒落巖體加固,并通過漿液在裂隙中擴散封堵漏風裂隙,減少掘進及后續(xù)使用期間巷道漏風量。在巷道掘進迎頭超前注漿鉆孔布置情況見圖2.

圖2 超前注漿鉆孔布置示意

二采區(qū)回風巷布置7個注漿鉆孔,鉆孔開孔距底板1 000 mm,其中Y3、Y4及Y5鉆孔有3°仰角,其余4個注漿孔仰角均為2°,終孔高度在0.5～2.1 m.每個注漿循環(huán)可實現(xiàn)掘進迎頭前方40 m、寬13 m、高3.5～5.1 m(圍巖破碎、注漿孔有效注漿半徑在3.0 m以上,因此注漿頂板控制范圍在3.5～5.1 m),加固區(qū)可形成穩(wěn)定注漿帷幕,保障后續(xù)巷道掘進安全。單循環(huán)注漿深度為40 m,注漿完成后允許巷道掘進30 m.

由于采空區(qū)內巖體破碎,預計注漿鉆孔成孔難度大,為此通過分次成孔方法提高鉆孔成孔效果。具體鉆進措施為:先采用D133 mm鉆頭鉆進2 000 mm,下方1 500 mm套管,并進行注漿加固;后采用D75 mm鉆頭鉆進至設計位置。若鉆進過程中出現(xiàn)卡鉆、不返水或者塌孔嚴重等情況時,則退出鉆頭先進行注漿,注漿完成后再繼續(xù)鉆進。

超前注漿材料用安固兒KDG,該注漿材料由水、膠體等構成,通過調節(jié)水灰質量比控制注漿材料凝結強度、反應時間等,滿足注漿需要并提升注漿加固效果。具體采用的注漿材料技術參數(shù)見表1.

表1 注漿材料技術參數(shù)

注漿設備選用性能可靠、注漿壓力大的2ZBQ-5/12注漿泵,該注漿泵在煤礦井下使用較為廣泛。注漿泵技術參數(shù)見表2.注漿配備3 000～6 000 mm注漿管,YK-1壓力表,采用直徑為10～35 mm(依據(jù)現(xiàn)場條件選擇)高壓軟管注漿。

表2 注漿泵技術參數(shù)

2.2 圍巖支護設計

依據(jù)二采區(qū)回風巷現(xiàn)場情況,采用基本支護+補強支護過小煤窯采空區(qū)。巷道掘進期間基本支護設計見圖3.圍巖采用工字鋼架棚支護,棚間距控制在800 mm;頂板鋪金屬網(wǎng),避免漏矸;棚腿與圍巖間用背板(木板)背實,避免破碎巖體冒落導致架棚受力不均衡,提高架棚承載能力。在采空區(qū)內掘進時需要穿越冒落區(qū)以及保護煤柱,因此依據(jù)掘進區(qū)域圍巖類型差異采用不同補強支護方案控制圍巖變形。

圖3 架棚支護示意(單位:mm)

1) 冒落區(qū)支護。巷道在采空區(qū)掘進時,雖然進行超前注漿,但仍存在注漿未控制區(qū),為此在巷道掘進期間采用局部注漿方式進行補強,局部補強情況見圖4.采用風鉆鉆進D42 mm注漿孔,鉆孔布置兩排,上排鉆孔距頂板500 mm、仰角4°～6°,與巷幫有2°～4°夾角,下排鉆孔距底板1 000 mm、鉆孔水平布置、與巷幫有4°～6°夾角。注漿漿液選用水灰質量比0.8∶1的水泥單液漿,注漿壓力1～3 MPa.在巷道頂板穿插鋼釬(長度3 000 mm),鋼釬布置間距為700 mm,兩排間有500 mm重疊距離。

圖4 冒落區(qū)支護示意

2) 過采空區(qū)遺留煤柱圍巖補強支護。在開采遺留煤柱時,煤柱兩側均為垮落區(qū),煤柱內應力集中,同時煤柱在應力作用下部分區(qū)域被壓酥、裂隙發(fā)育,為此在原有架棚支護基礎上采用錨索補強支護,降低過煤柱期間頂板下沉量。在過煤柱期間頂板上布置2排規(guī)格為D18.6 mm×8 400 mm的錨索,按照間距×排距=2 000 mm×2 000 mm布置,頂板補強斷面見圖5.

圖5 頂板錨索補強支護示意(單位:mm)

3 現(xiàn)場圍巖控制效果

在二采區(qū)回風巷過小煤窯采空區(qū)時,通過超前注漿方式加固采空區(qū)內不穩(wěn)定巖體,現(xiàn)場共計注入520 t注漿材料,表明采空區(qū)內矸石間裂隙以及空洞發(fā)育。具體注漿前后鉆孔窺視成果見圖6.

圖6 鉆孔窺視成果圖

由圖6看出,在注漿前鉆孔周邊裂隙發(fā)育、巖體破碎,在孔口及孔內多處位置均出現(xiàn)塌孔問題;注漿后鉆孔孔壁完整、結構密實,鉆進期間未出現(xiàn)塌孔情況,同時漿液在孔壁裂隙中有明顯膠結痕跡,表明超前注漿起到了較好的加固效果。

二采區(qū)回風巷掘進完成后通過布置測點監(jiān)測圍巖變形量,具體結果見圖7.巷道注漿及支護完成后,頂板變形量在初期(支護10 d后)增加較快,隨著支護時間增加,頂板下沉量逐漸趨于穩(wěn)定,最終穩(wěn)定到162 mm.頂板下沉量監(jiān)測表明,在小煤窯采空區(qū)內采用的支護方式合理,可為巷道安全掘進以及后續(xù)使用創(chuàng)造良好條件。

圖7 頂板下沉量監(jiān)測曲線

4 結 語

在二采區(qū)回風巷掘進過小煤窯采空區(qū)期間,提出采用超前注漿方式加固掘進前方破碎、不穩(wěn)定巖體,通過單循環(huán)注漿可形成長40 m、寬25 m的注漿加固區(qū),起到降低掘進期間漏風量、避免圍巖失穩(wěn)等目的。根據(jù)掘進過采空區(qū)期間圍巖性質,決定在冒落區(qū)內采用架棚+局部注漿+頂板鋼釬方式進行支護;在過煤柱期間采用架棚+頂板補強錨索方式進行支護。

采用鉆孔窺視技術分析超前注漿效果,注漿后圍巖裂隙充填注漿漿液,圍巖穩(wěn)定性明顯提升,可為巷道掘進創(chuàng)造良好條件。支護完成后頂板下沉量最大為162 mm,頂板下沉量較小,圍巖支護取得較好控制效果。