秦 澤

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048027）

山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦4 號煤層目前已處于枯竭狀態(tài)，為延長礦井服務(wù)年限，提高煤炭資源采出率，提出了復(fù)采方案。由于以往的房柱式開采在采區(qū)范圍內(nèi)遺留許多煤柱及空巷，原空巷區(qū)可能具有積水、瓦斯、有毒有害氣體以及頂板冒落等[1-3]。以莒山礦4301 復(fù)采工作面為研究背景，在分析遺留空巷頂板特征的基礎(chǔ)上提出了水泥粉煤灰注漿工作面頂板控制技術(shù)，并進(jìn)行了工程實(shí)踐。

1 工程概況

4301 復(fù)采工作面所采煤層為侏羅紀(jì)下統(tǒng)延安組4 號煤層，煤層平均厚度為6.21 m，受開采技術(shù)裝備及回采工藝的影響，以往采用房柱式開采工藝，開采巷道（煤房）沿煤層底板掘進(jìn)，采高為2～2.5 m，開采時(shí)采煤方式主要為擴(kuò)幫、淘幫等方式，采空區(qū)寬度為5～7 m，開采后在采空區(qū)內(nèi)遺留了許多形狀、大小各異的空巷及煤柱。

根據(jù)臨近其他礦的經(jīng)驗(yàn)，復(fù)采一般采用綜采放頂煤后退式采煤工藝。4301 復(fù)采綜放工作面采厚為2.5 m，放高3.71 m，放煤步距0.8 m，一采一放。工作面設(shè)計(jì)長度為150 m，4號煤層基本頂為細(xì)砂巖，均厚9.2 m，直接頂為泥巖及砂質(zhì)泥巖，均厚6.3 m；底板為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為5.2 m。

工作面運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)為矩形斷面，運(yùn)輸巷掘進(jìn)寬度為4.5 m，凈寬為4.3 m，掘進(jìn)高度為3.2 m，凈高為3.0 m，沿底掘進(jìn)，正常段巷道采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)。支護(hù)參數(shù)如圖1。

圖1 巷道支護(hù)斷面

2 運(yùn)輸順槽過冒頂松動區(qū)頂板穩(wěn)定性分析

一般而言，舊空區(qū)上覆巖層其主要破壞形式為拉伸破壞?？障锍跏夹纬呻A段，上覆巖層懸露于巷道部，隨著時(shí)間的推移，空巷兩幫幫部發(fā)生流變破壞，導(dǎo)致上覆巖層懸露跨距增大，上覆巖層發(fā)生沉降。巖層懸露達(dá)一定跨度，彎曲沉降發(fā)展到一定限度后，懸露巖層出現(xiàn)彎曲拉應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖層發(fā)生拉伸破壞。

將空巷頂板巖層簡化為同時(shí)受兩個力的作用，一是自重，二是軸向推力N。軸向推力N是由作用在巷道兩側(cè)的支撐壓力σx=KxγH所引起的。如果空巷寬度超過頂板巖層維持平衡時(shí)極限跨度，兩端拉應(yīng)力超限發(fā)生斷裂、垮落。

煤巖體垮落進(jìn)入空區(qū)，膨脹充填后可能形成的破碎區(qū)域高度△為：

式中：M為空區(qū)高度，m；H為巷道掘進(jìn)高度，取3.2 m。

采空區(qū)高度M可按式（2）表示：

式中：∑h為煤巖體厚度，取原來最大采高2.5 m；Kp為巖層垮落后的碎脹系數(shù)，取1.25。代入各參數(shù)，得△=6.8 m。即巷道掘進(jìn)過程中穿過已采煤房空區(qū)時(shí)巷道頂板松動區(qū)域的高度為6.8 m。

3 巷道過冒頂松散區(qū)注漿加固技術(shù)

3.1 松動區(qū)域注漿加固機(jī)理分析

掘進(jìn)巷道進(jìn)入以往開采遺留空區(qū)形成的松動巖層區(qū)域時(shí)，在掘進(jìn)采動影響下，巷道圍巖松動巖層進(jìn)一步破壞，圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步降低，圍巖穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致巷道圍巖變形量增大，支護(hù)難度增大。在水泥粉煤灰漿體的注漿作用下[4-5]，一方面漿體可以順著巷道頂板松動區(qū)域的裂縫和破裂帶流動，對頂板上覆巖層進(jìn)行充填，漿體凝固后可以使巷道頂板破碎巖層粘結(jié)為整體相對完整的覆巖結(jié)構(gòu)，從而使巷道圍巖保持穩(wěn)定，有效降低了巷道圍巖的變形量；另一方面液態(tài)漿體對巷道頂板上覆松動巖層充填后在其凝固過程中可有效改善圍巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，漿體凝固后圍巖的整體強(qiáng)度得到增強(qiáng)，具有良好的承載能力，有效承載上覆巖層的應(yīng)力，從而降低了巷道圍巖的變形。

3.2 混凝土漿液配比

混凝土漿體骨料主要為粉煤灰和水泥，加有少量膨脹劑及膠凝劑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)[6-7]，確定粉煤灰與水泥的用料比為3:1，粉煤灰與水泥組成的固體骨料與水的質(zhì)量比為1:1，漿體初凝時(shí)間為60 min，終凝時(shí)間為5 h。

3.3 技術(shù)方案

當(dāng)掘進(jìn)巷道穿過冒落空區(qū)時(shí)，首先采用密集型工字鋼梁與金屬網(wǎng)及時(shí)支護(hù)巷道，維護(hù)巷道初始斷面，之后將注漿管接入巷道頂部松動區(qū)域，使鉆孔終端落在松動區(qū)的上方。計(jì)算好漿液從攪抖機(jī)內(nèi)通過注漿泵到流出鉆桿所需時(shí)間長短來調(diào)節(jié)漿液的初凝時(shí)間，讓漿液從鉆桿中流出后，在冒落松散體內(nèi)流動的過程中凝固，從而起到粘結(jié)冒落矸石的作用。在巷道內(nèi)每隔10 m 布孔1 排注漿管，每排扇形布置4 個，注漿管長6.5 m。在各個鉆孔內(nèi)分別設(shè)置逆止閥，并采用封孔器進(jìn)行封孔。通過泵送漿體進(jìn)入巷道上覆空區(qū)，漿體具有初凝速度快及膨脹的性質(zhì)，漿體初凝后即可以與松動巖層形成一個相對的整體結(jié)構(gòu)。

為保證注漿后回采巷道的穩(wěn)定性，采用單體柱配合π 型梁的方式對空巷進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。在空巷內(nèi)每排支設(shè)4 根單體支柱，配合π 型頂梁支護(hù)，柱距0.8 m，排距為0.6 m，支柱穿鐵鞋。在加強(qiáng)支護(hù)下有利于充分維護(hù)漿體進(jìn)一步凝固過程中巷道圍巖的整體穩(wěn)定。

3.4 注漿安全施工措施

（1）注漿人員作業(yè)期間必須佩戴防護(hù)用品，避免漿體進(jìn)入眼部及皮膚長期與漿體接觸，作業(yè)場所必須備有一定量的清潔用水。

（2）注漿人員密切注意泵的壓力，隨時(shí)觀察注漿量，并特別注意注漿管內(nèi)的壓力情況。

（3）施工過程中確保泵送漿體流量，滿足漿體初凝條件下的注漿時(shí)間。

（4）注漿完畢后應(yīng)立即清洗缸體和注漿管路，避免注漿管的擁堵。

（5）換孔時(shí)施工人員必須在注漿管內(nèi)壓力釋放后再拆卸注漿管路。

（6）注漿連接管路時(shí)要保證各部位連接牢固。

（7）施工前要先排除頂、幫浮矸危巖后，再鉆孔注漿。

4 應(yīng)用效果

為分析巷道過空區(qū)注漿加固效果，巷道掘進(jìn)過程中對注漿加固區(qū)域進(jìn)行了圍巖變形測量，注漿區(qū)域在加固70 d 內(nèi)隨著時(shí)間的增加，巷道圍巖變形不斷增大，超過70 d 后巷道圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，這與正常煤體巷道掘進(jìn)后圍巖的變形規(guī)律基本吻合。當(dāng)巷道圍巖趨于穩(wěn)定后，巷道頂板最大變形量約為42 mm，兩幫累計(jì)變形量約為55 mm，底板最大變形量約為30 mm，巷道整體變形量較小。表明注漿加固方案合理，在粉煤灰與水泥漿體作用下，巷道圍巖體整體強(qiáng)度和抗變形能力得到大幅度提高，巷道圍巖變形得到了有效控制，為后期復(fù)采工作面安全高效開采奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

（1）在分析工作面復(fù)采開采條件及工作面運(yùn)輸順槽開采技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，分析了運(yùn)輸順槽過冒頂松動區(qū)頂板穩(wěn)定性，通過理論分析確定巷道穿過已采煤房空區(qū)時(shí)巷道頂板松動區(qū)域的高度為6.8 m。

（2） 為保證巷道過松動空區(qū)時(shí)圍巖控制問題，提出了水泥粉煤灰注漿加固方案，分析了注漿加固機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)給出了漿體配比，并給出了具體技術(shù)方案。

（3）實(shí)踐表明，巷道過松動區(qū)域注漿加固后，巷道圍巖變形量較小，圍巖得到了有效控制，表明注漿加固方案合理有效，為后期復(fù)采工作面安全開采奠定了基礎(chǔ)。