综放工作面停采段围岩超前注浆加固技术研究

时间：2024-08-31

宋晓彪

（山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，山西长治 046299）

0 引言

煤矿开采过程中，煤岩体既要受原岩应力影响，也受采动过程中引起的采动应力的影响，巷道所受的采动附加应力有时达到原岩应力的2～5 倍[1]。工作面的超前集中应力是引起工作面前方煤壁失稳的主要因素。工作面煤壁不能承受所受的采动应力时，煤壁会多次出现片帮塌落、煤与瓦斯突出、局部顶板发生漏冒等现象，对工作面的回采造成严重影响[2]。

在面对围岩破碎的开采情况下，因锚固剂与破碎岩体的锚固力常常不能达标，致使锚杆索的锚固强度大幅度降低，不能满足维护巷道稳定的要求。因此，在破碎围岩巷道中的支护一般采取注浆加固的方法[3-6]。

五阳煤矿7608 综放工作面在回采过程中因工作面应力集中引起前方煤壁失稳，尤其是在工作面收尾阶段，需要撤架的空间大，顶板裸露面积大，围岩应力集中系数也显著增大。为保障安全生产，决定对7608 综放工作面停采线附近顶板破碎区域进行超前预注浆加固。

1 概况

7608 工作面位于+600 水平、76 采区，工作面地表位置位于原东周村，地面标高+881—+892 m，工作面标高+467—+515 m。工作面北部为7606 采空区，南部为76-2 号南部2 号回风巷，西部为76-2 号南部回风巷，东为76-2 号区段准备巷道。回采后会对原东周村造成一定影响。

7608 工作面开采对象为山西组中下部的3 号煤层，煤层赋存稳定，厚度6.00 ～6.30 m，平均6.10 m，工作面回风巷（里段）侧回采至218 m 左右，煤层存在局部变薄现象，煤层最薄处为5.80 m，煤层倾角+3°～+7°，平均+5°，含2 层夹矸，分为3 个自然分层，其结构为6.10=1.49（0.01） 3.29（0.03） 1.28。

煤层老顶为粉砂岩、中粒石英砂岩互层，厚3.90～6.73 m，平均5.49 m，直接顶为砂质泥岩、泥岩互层，厚4.75～6.24 m，平均5.46 m，伪顶为炭质泥岩，厚0.20～0.30 m，平均0.25 m，岩性为黑色，夹煤线或煤屑，节理发育，易冒落，f=2～3。

7608 工作面运、回两巷沿煤层伪倾向布置，总体趋势为外高里低，运巷高、回巷低，运回两巷均沿煤层顶板掘进。运输巷长639.7 m，巷道-10°～1°，平均坡度为-4.5°；回风巷（外段）长447 m，巷道坡度-14°～0，平均坡度为-6°；里切眼长117 m，巷道坡度-11°～-6°，平均坡度为-7°；回风巷（里段）长171.8 m，巷道坡度-11°～-4°，平均坡度为-8°；回风巷联络巷长214 m，巷道坡度-3°～1°，平均坡度为-1.5°；外切眼长109.8 m，巷道坡度-8°～8°，平均坡度为0；回风巷车场长83.9 m，巷道坡度-9°～-3°，平均坡度为-6°。

2 注浆加固材料

注浆加固材料一般可以分为3 大类：水泥基注浆材料、化学注浆材料和水泥与化学复合注浆材料[4]。针对五阳煤矿7608 综放工作面的围岩地质条件和停采段注浆加固煤岩体的服务期限，经调研考察分析，选取山西中矿威特矿山技术开发有限公司自行研制生产的新型无机单液注浆材料耐固I 号作为此次工程试验的注浆加固材料。耐固I 号是一种单液注浆加固材料，具有可注性强、流动性好、渗透性强、粘结性好等优点，结石体强度及充填率高，胶凝时间为45 min≤t≤240 min，24 h 强度可达25 MPa 以上，较为适合地质构造带深孔预注浆和壁后注浆。

3 注浆加固方案

考虑到施工对工作面生产的影响，决定在工作面回风巷和运输巷的回风通道，分别施工深孔注浆加固。

3.1 钻孔布置

注浆范围为停采线前方5 m 和后方20 m 范围，根据7608 工作面实际情况及现场施工条件，提出以下钻孔布置方案。在工作面回风巷和运输巷回风通道内联合布置注浆钻孔，钻孔布置如图1 所示。

图1 注浆钻孔布置示意Fig.1 The layout of grouting drilling

7608 回风巷内施工2 排钻孔，下排钻孔开孔高度1.0 m，上排钻孔开孔高度2.5 m；上下排孔成“三花”布置，上排第一个钻孔在停采线往前5 m位置开始施工，下排第一个钻孔在停采线往前2.5 m 位置开始施工；上排孔间距5 m，下排孔间距5 m，上下排孔间距2.5 m；由于回风巷是沿着煤层顶板布置，打设长钻孔时由于钻杆自重，成孔会自动往下偏斜，因此，上、下排孔均扬起一定的角度并垂直煤壁施工，上排钻孔角度为4°，下排钻孔角度为6°，孔深均为80 m；巷道内上排钻孔施工6 个，下排钻孔施工5 个，合计施工11 个80 m 的钻孔。

7608 工作面胶带运输巷由于布置有运输皮带，钻孔无法施工，因此，确定在工作面距离停采线20 m 左右时，从工作面垂直煤壁施工钻孔。工作面内共施工2 排钻孔，下排钻孔开孔高度1.0 m，上排钻孔开孔高度2.5 m；上下排孔成“三花”布置，为防止从运输巷漏浆，必须在运输巷煤壁侧留有止浆的保护带，因此，上排第一个钻孔在距离运输巷煤壁7 m 处开始施工，最后一个钻孔在距离回风施工钻孔终孔位置约7 m 处开始施工；下排在距离运输巷煤壁10.5 m 处开始施工，最后一个钻孔在距离回风施工钻孔终孔位置约10.5 m 处开始施工；上排孔孔间距7 m，下排孔间距7 m，上下排孔间距3.5 m；上、下排孔均为上仰施工的钻孔，仰角为7°，孔深均为25 m，上排孔终孔位置距煤层顶板0.5 m；巷道内上排钻孔施工20 个，下排钻孔施工19 个，合计施工39 个25 m 的钻孔。

3.2 钻孔施工

（1）钻孔时机。为不影响末采进度，注浆深孔提前施工，回风巷钻孔施工完成后及时插入封孔钢管和注浆导流管（PE 管），并进行封孔。

（2）回风巷钻孔钻进设备。采用矿方现有钻机，配套φ50 mm 钻杆、φ75 mm 钻头成孔。

（3）工作面钻孔钻进设备。手持式风动钻机，φ42 mm 钻头成孔。

3.3 注浆工艺参数

（1）注浆时机。工作面推进到距离70 m 左右时开始实施注浆。

（2）注浆压力。根据现场漏浆情况，确定终孔注浆压力不低于15 MPa，并在漏浆严重时降低注浆压力。

（3）单孔注浆量。单孔注浆量取决于超前支承压力影响范围和程度，根据经验初步测算80 m长钻孔单孔注浆量为3 ～4 t/孔，25 m 长注浆孔单孔注浆量为1.25 t/孔。

（4）注浆设备。深孔注浆宜采用流量较大、额定注浆压力较大的液压注浆泵，结合现场工程实际，采用ZBYSB100/20-18.5（额定流量100 L/min，额定压力22 MPa，功率18.5 kW，重量1.2 t，可为分体式）型液压注浆泵，配备2 个QB200 型气动搅拌桶。注浆系统如图2 所示。

图2 注浆系统连接示意Fig.2 Connection indication of grouting system

4 工业性试验

为全面检查巷道注浆加固的稳定性，监控巷道煤岩体的应力变化状况，掌握围岩的变形规律，确定支护方式是否达到巷道稳定的要求。在工作面推进到停采线区域附近，注浆巷道隔50 m 布置2 个测站，对巷道变化量进行为期30 d 的观测，每3 d观测一次并记录数据。图3 为测站顶、底板及两帮围岩移近量随时间变形量趋势。

图3 巷道围岩随时间变形量趋势Fig.3 Trend of surrounding rock deformation over time

在30 d 的观察期内，注浆方案实行初期由于未能及时形成支护整体，巷道围岩变形较大，巷道顶、底板移近量和两帮移近量变化幅度大，变形量大。但在支护中后期时，巷道围岩应力重新分布，浆液与破碎围岩形成整体结构，可承受的支承压力变大，测站1 顶底板移近量稳定在189.2 mm，两帮移近量稳定在101.6 mm；测站2 顶底板移近量稳定在183.3 mm，两帮移近量稳定在100.6 mm。围岩变化趋于稳定，可见注浆加固已基本满足安全生产的需要。