掘進(jìn)面過空期間注漿充填及支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用

張勇利，任晨陽

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 三元古韓荊寶煤業(yè)有限公司，山西 長治 046200)

1 研究背景

三元古韓荊寶煤業(yè)有限公司為兼并重組整合礦井，正在開采3號(hào)煤層，煤層標(biāo)高+500.00～+940.00 m。三采區(qū)處于井田東部，三采區(qū)機(jī)軌巷、回風(fēng)巷設(shè)計(jì)沿北西-南東向布置。由于三采區(qū)為原天利煤礦生產(chǎn)區(qū)域，采區(qū)內(nèi)資源受小煤窯破壞較嚴(yán)重，機(jī)軌巷和回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中揭露多條舊巷和老空，舊巷和老空內(nèi)存在積水，對(duì)頂板、水害、有毒有害氣體管理造成相當(dāng)大的困難。

揭露的老空區(qū)多數(shù)為耙斗回采巷道，其特點(diǎn)是：老空走向距離較長，橫向最小跨度均超過10 m，老空范圍內(nèi)直接頂全部垮落，垮落高度均超過了2 m。掘進(jìn)工作面揭露老空后，老空區(qū)范圍普遍較大。雖然老空直接頂垮落后，頂板壓力趨于穩(wěn)定，但是在維護(hù)老空期間，僅僅只能沿巷道掘進(jìn)方向及其兩側(cè)5 m范圍進(jìn)行錨網(wǎng)索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，特別是掘進(jìn)巷道與老空相交后，兩側(cè)向外沒有煤柱支撐，懸頂面積較大，不能為巷道兩側(cè)以外的老空區(qū)提供有效的支撐力。而且維護(hù)老空時(shí)，工程量較大，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且存在較大安全隱患。

針對(duì)該情況，通過考察研究，并結(jié)合相鄰礦井過舊巷、老空經(jīng)驗(yàn)，決定采用鋁基高固水材料注漿充填技術(shù)對(duì)老空進(jìn)行充填，并優(yōu)化了巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，確保掘進(jìn)巷道順利穿過老空。

2 鋁基高固水材料注漿充填技術(shù)

2.1 鋁基高水注漿材料簡介

老空充填注漿材料為鋁基高固水材料。該材料具有早強(qiáng)、快硬的特點(diǎn)，初凝與終凝時(shí)間較短。水固比越大，凝結(jié)時(shí)間越長，反之則短。其凝固時(shí)間在水灰比為3∶1的條件下，初凝時(shí)間為2 min，以控制漿液自由流動(dòng)4～7 m范圍，材料7 d后強(qiáng)度增長緩慢,凝固強(qiáng)度為2～4 MPa。充填材料由A料、B料分別與水混合制成漿體，其中A料、B料獨(dú)立的漿體在24 h內(nèi)不凝結(jié)。使用時(shí)分別通過兩趟獨(dú)立的管道輸送至充填地點(diǎn)附近約10 m處，將兩趟獨(dú)立的管路(二合一)混合后再輸送至充填老空區(qū)內(nèi)。

2.2 鋁基高水材料采空區(qū)充填工藝

鋁基高固水材料漿體流動(dòng)性十分好，當(dāng)對(duì)不同形態(tài)的采空區(qū)進(jìn)行注漿充填時(shí)，需提出相適應(yīng)的充填方法與充填工藝。根據(jù)掘進(jìn)工作面鉆孔已探明空巷的位置分布，提出了開放式和鉆孔式兩種工藝與方法，工藝流程如圖1所示。

圖1 注漿充填工藝流程

1) 開放式充填方法。該方法是在已揭露的空巷能夠觀察到并且采空區(qū)未垮落的情況下，無法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行調(diào)控，此時(shí)采空區(qū)上覆巖層部分垮落，空巷完全處于開放與自由狀態(tài)時(shí)采取的充填方式。

在進(jìn)行充填時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的注漿漿液逐漸固化?？筛鶕?jù)固化過程分成四個(gè)階段：初凝階段、過渡階段、固化基本完成階段與固化完成階段，如圖2所示。

圖2 注漿充填體固化階段劃分示意

2) 鉆孔式注漿充填法。該方法在已探測有空巷但未揭露的情況下，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行鉆孔注漿充填加固，使得老空內(nèi)垮落的矸石、煤塊(煤粉)能夠與周圍煤體成為一個(gè)整體，防止片幫冒頂，以提高施工效率，如圖3所示。

圖3 鉆孔式注漿充填法示意

掘進(jìn)工作面距離老空區(qū)剩余5 m時(shí)，停止向前掘進(jìn)。在工作面迎頭位置施工注漿鉆孔，注漿鉆孔探透老空區(qū)后，對(duì)老空區(qū)進(jìn)行注漿充填施工。隨后再根據(jù)老空區(qū)的充填情況調(diào)整技術(shù)方案，另行補(bǔ)打鉆孔對(duì)老空區(qū)注漿充填，直至將掘進(jìn)范圍內(nèi)老空區(qū)內(nèi)冒落的巖石和煤體膠結(jié)為一體。

為了確保注漿效果，注漿孔眼口高度布置在距巷道頂板向下1～1.5 m處，根據(jù)巷道寬度均勻布置3個(gè)注漿孔，分別為左20°孔、中孔、右20°孔，實(shí)現(xiàn)對(duì)正前方老空區(qū)及其兩幫向外5～10 m的區(qū)域進(jìn)行全覆蓋，鉆孔角度可根據(jù)老空位置進(jìn)行調(diào)整。注漿孔孔徑為50 mm，鉆孔深度以探測到空巷為準(zhǔn)。注漿孔內(nèi)埋入直徑為1.5寸的鋼管作為注漿管，注漿管長度10 m。

3) 注漿順序。為了保證注漿效果，分多次循環(huán)注漿。第一次注漿先注中孔，將掘進(jìn)工作面正前方充填。其次，分別在注左20°孔、右20°孔，最終實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面及其兩側(cè)5～10 m范圍內(nèi)垮落的巖石和煤體膠結(jié)為整體，保證總的注漿效果。

4) 注漿充填注意事項(xiàng)。①根據(jù)現(xiàn)場老空積水、煤體破碎等情況，及時(shí)對(duì)注漿充填材料配比進(jìn)行調(diào)整，確保充填效果達(dá)到最佳。②注漿充填期間，對(duì)工作面迎頭范圍內(nèi)的破碎煤體要用封堵材料封堵嚴(yán)實(shí)，確保注漿充填材料不從裂隙中跑漏，浪費(fèi)材料。③注漿泵、注漿管路離工作面距離不宜過遠(yuǎn)，避免因距離較遠(yuǎn)、泵站壓力不夠、管路距離較長造成漿液在管路內(nèi)積沉造成堵塞。

3 回風(fēng)巷過空期間支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 永久支護(hù)設(shè)計(jì)

三采區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)面在揭露老空1 m前，采用鉆孔式注漿充填法對(duì)老空進(jìn)行充填；揭露老空前后5 m采用錨網(wǎng)索+工字鋼棚復(fù)合支護(hù)，由于充填材料影響，過空期間采用單一架設(shè)工字鋼棚支護(hù)通過老空。錨網(wǎng)索永久支護(hù)排距為1 000 mm，老空前后10 m錨索布置方式由“2-0-1-0-2”變更為“2-2-2”，梯形工字鋼棚棚距為500 mm，兩者交替布置。先打設(shè)錨網(wǎng)索永久支護(hù)后，再架設(shè)工字鋼棚支護(hù)，工字鋼棚支護(hù)滯后錨網(wǎng)索永久支護(hù)一排架設(shè)，為了增加工字鋼棚的穩(wěn)定性，固定工字鋼棚的拉桿每架棚6組拉桿(棚梁、棚腿各采用2根拉桿)。

3.2 臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

1) 過空期間，采用金屬前探梁進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，為了確保前探梁固定的整體性，采用了“U”形卡將前探梁固定在棚梁上的凹槽內(nèi)。“U”形卡采用厚度2 cm的鋼板焊制，“U”形卡的兩側(cè)分別焊制2套16 mm×50 mm的螺栓，將兩側(cè)螺栓緊固后，使其卡在工字鋼的凹槽內(nèi)進(jìn)行固定，見圖4。

圖4 過老空期間金屬前探梁臨時(shí)支護(hù)(mm)

2) 過老空期間，為了防止松動(dòng)爆破注漿膠結(jié)垮落巖石導(dǎo)致工字鋼棚歪倒，采用了U形固定卡固定工字鋼棚棚腿。固定棚腿時(shí)，每側(cè)棚腿采用3副U形卡固定，每間隔3架工字鋼棚，固定1架工字鋼棚棚腿。固定棚腿的U形卡采用40板鐵制作，U形卡的兩端分別燒焊D22 mm的圓孔，每副卡箍采用2套D20 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿將卡箍與棚腿固定在巷幫，見圖5。

圖5 過老空期間梯形工字鋼棚支護(hù)加固示意(mm)

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

三采區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)過空期間采用錨網(wǎng)索+工字鋼棚復(fù)合支護(hù)，充填過老空方式成功解決了費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且頂板管理、積水積氣管理難度大的問題。采取錨網(wǎng)索+工字鋼棚復(fù)合支護(hù)順利穿過1號(hào)～3號(hào)老空。巷道圍巖變形量見圖6。

圖6 巷道圍巖變形

由圖6可知：巷道的頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量及深部位移在巷道掘進(jìn)初期快速增加，當(dāng)掘進(jìn)工作面向前推進(jìn)至大概50 m遠(yuǎn)時(shí)，巷道圍巖的變形速率開始逐漸減小，變形趨于穩(wěn)定。最終，巷道兩幫移近量達(dá)110 mm，頂板下沉量達(dá)91 mm，底鼓量達(dá)21 mm，3 m深度的頂板深部位移為54 mm，8 m深度的頂板深部位移為16 mm?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，注漿充填技術(shù)和支護(hù)技術(shù)成效良好，保障了工作面過空的安全。

5 結(jié) 語

1) 為解決三采區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)過空期間的安全問題，提出采取充填注漿和支護(hù)優(yōu)化的措施加強(qiáng)對(duì)巷道圍巖的控制。

2) 采取充填注漿和支護(hù)優(yōu)化措施后，順利穿過1號(hào)～3號(hào)老空?，F(xiàn)場應(yīng)用效果良好，能夠保障巷道安全，巷道圍巖變形量在可控范圍內(nèi)。