馬書劍

(山西汾西正文煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 孝義 032300)

資源整合礦井煤炭回采時(shí)面臨部分煤層被小煤窯開采破壞問題,受開采工藝及技術(shù)、設(shè)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(shí)現(xiàn)煤炭資源經(jīng)濟(jì)開采,部分回采巷道難以避免需要掘進(jìn)通過(guò)小煤窯采空區(qū),在掘進(jìn)過(guò)程中巷道面臨圍巖破碎、應(yīng)力復(fù)雜、瓦斯涌出等各種問題,給巷道掘進(jìn)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(shí)封堵漏風(fēng)通道對(duì)提高巷道掘進(jìn)安全保障能力有顯著促進(jìn)意義[6-7]。為此,文中以山西某礦二采區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)為工程背景,針對(duì)巷道掘進(jìn)過(guò)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(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件針對(duì)性地提出圍巖支護(hù)技術(shù)措施,實(shí)現(xiàn)了巷道安全掘進(jìn)及圍巖變形有效控制。

1 工程概況

山西某礦二采區(qū)回風(fēng)巷沿3號(hào)煤層掘進(jìn),3號(hào)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(zhì)泥巖以及砂質(zhì)泥巖為主。二采區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)區(qū)域存在小煤窯開采破壞區(qū),具體掘進(jìn)情況見圖1.

圖1 二采區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)位置示意

二采區(qū)回風(fēng)巷斷面為梯形,巷道上部及下部掘?qū)挿謩e為4.6 m、3.6 m,掘高為3.0 m,設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 580 m,采用工字鋼架棚支護(hù)方式。根據(jù)已有資料顯示,二采區(qū)回風(fēng)巷在掘進(jìn)至250～390 m范圍時(shí)會(huì)揭露小煤窯采空區(qū),同時(shí)采空區(qū)內(nèi)有保護(hù)煤柱,煤柱寬度為25 m,采空區(qū)內(nèi)巖體破碎,煤柱穩(wěn)定性較差且裂隙發(fā)育。二采區(qū)回風(fēng)巷在過(guò)小煤窯采空區(qū)時(shí)面臨圍巖破碎、頂板容易垮落以及巷道漏風(fēng)嚴(yán)重等問題。為此,礦井經(jīng)過(guò)綜合研判,提出在過(guò)采空區(qū)時(shí)采用超前注漿方式加固采空區(qū)不穩(wěn)定巖體,并實(shí)現(xiàn)漏風(fēng)裂隙封堵,以便為巷道圍巖支護(hù)創(chuàng)造良好條件。

2 巷道圍巖支護(hù)技術(shù)

2.1 超前注漿加固

二采區(qū)回風(fēng)巷在采空區(qū)影響范圍內(nèi)掘進(jìn)時(shí),在巷道迎頭布置超前注漿鉆孔,實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定、冒落巖體加固,并通過(guò)漿液在裂隙中擴(kuò)散封堵漏風(fēng)裂隙,減少掘進(jìn)及后續(xù)使用期間巷道漏風(fēng)量。在巷道掘進(jìn)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(fēng)巷布置7個(gè)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(gè)注漿孔仰角均為2°,終孔高度在0.5～2.1 m.每個(gè)注漿循環(huán)可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)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(jìn)安全。單循環(huán)注漿深度為40 m,注漿完成后允許巷道掘進(jìn)30 m.

由于采空區(qū)內(nèi)巖體破碎,預(yù)計(jì)注漿鉆孔成孔難度大,為此通過(guò)分次成孔方法提高鉆孔成孔效果。具體鉆進(jìn)措施為:先采用D133 mm鉆頭鉆進(jìn)2 000 mm,下方1 500 mm套管,并進(jìn)行注漿加固;后采用D75 mm鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)位置。若鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)卡鉆、不返水或者塌孔嚴(yán)重等情況時(shí),則退出鉆頭先進(jìn)行注漿,注漿完成后再繼續(xù)鉆進(jìn)。

超前注漿材料用安固兒KDG,該注漿材料由水、膠體等構(gòu)成,通過(guò)調(diào)節(jié)水灰質(zhì)量比控制注漿材料凝結(jié)強(qiáng)度、反應(yīng)時(shí)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(shù)參數(shù)見表1.

表1 注漿材料技術(shù)參數(shù)

注漿設(shè)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(shù)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(chǎng)條件選擇)高壓軟管注漿。

表2 注漿泵技術(shù)參數(shù)

2.2 圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

依據(jù)二采區(qū)回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)情況,采用基本支護(hù)+補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)過(guò)小煤窯采空區(qū)。巷道掘進(jìn)期間基本支護(hù)設(shè)計(jì)見圖3.圍巖采用工字鋼架棚支護(hù),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(shí),避免破碎巖體冒落導(dǎo)致架棚受力不均衡,提高架棚承載能力。在采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)時(shí)需要穿越冒落區(qū)以及保護(hù)煤柱,因此依據(jù)掘進(jìn)區(qū)域圍巖類型差異采用不同補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案控制圍巖變形。

圖3 架棚支護(hù)示意(單位:mm)

1) 冒落區(qū)支護(hù)。巷道在采空區(qū)掘進(jìn)時(shí),雖然進(jìn)行超前注漿,但仍存在注漿未控制區(qū),為此在巷道掘進(jìn)期間采用局部注漿方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),局部補(bǔ)強(qiáng)情況見圖4.采用風(fēng)鉆鉆進(jìn)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(zhì)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(zhǎng)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(hù)示意

2) 過(guò)采空區(qū)遺留煤柱圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。在開采遺留煤柱時(shí),煤柱兩側(cè)均為垮落區(qū),煤柱內(nèi)應(yīng)力集中,同時(shí)煤柱在應(yīng)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(hù)基礎(chǔ)上采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),降低過(guò)煤柱期間頂板下沉量。在過(guò)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(bǔ)強(qiáng)斷面見圖5.

圖5 頂板錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意(單位:mm)

3 現(xiàn)場(chǎng)圍巖控制效果

在二采區(qū)回風(fēng)巷過(guò)小煤窯采空區(qū)時(shí),通過(guò)超前注漿方式加固采空區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定巖體,現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)注入520 t注漿材料,表明采空區(qū)內(nèi)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(nèi)多處位置均出現(xiàn)塌孔問題;注漿后鉆孔孔壁完整、結(jié)構(gòu)密實(shí),鉆進(jìn)期間未出現(xiàn)塌孔情況,同時(shí)漿液在孔壁裂隙中有明顯膠結(jié)痕跡,表明超前注漿起到了較好的加固效果。

二采區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)完成后通過(guò)布置測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)圍巖變形量,具體結(jié)果見圖7.巷道注漿及支護(hù)完成后,頂板變形量在初期(支護(hù)10 d后)增加較快,隨著支護(hù)時(shí)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(cè)表明,在小煤窯采空區(qū)內(nèi)采用的支護(hù)方式合理,可為巷道安全掘進(jìn)以及后續(xù)使用創(chuàng)造良好條件。

圖7 頂板下沉量監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

在二采區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)小煤窯采空區(qū)期間,提出采用超前注漿方式加固掘進(jìn)前方破碎、不穩(wěn)定巖體,通過(guò)單循環(huán)注漿可形成長(zhǎng)40 m、寬25 m的注漿加固區(qū),起到降低掘進(jìn)期間漏風(fēng)量、避免圍巖失穩(wěn)等目的。根據(jù)掘進(jìn)過(guò)采空區(qū)期間圍巖性質(zhì),決定在冒落區(qū)內(nèi)采用架棚+局部注漿+頂板鋼釬方式進(jìn)行支護(hù);在過(guò)煤柱期間采用架棚+頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索方式進(jìn)行支護(hù)。

采用鉆孔窺視技術(shù)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(jìn)創(chuàng)造良好條件。支護(hù)完成后頂板下沉量最大為162 mm,頂板下沉量較小,圍巖支護(hù)取得較好控制效果。