工作面过冒落区围岩注浆加固技术与应用研究

韩国将

（山西煤炭运销集团阳城大西煤业有限公司，山西 晋城 048000）

煤矿过去多采用旧式采煤工艺，巷道规划不合理，导致整合资源后，工作面在回采过程中会遭遇早期留下的空巷废巷。当废巷围岩岩性较弱时，受到地质构造影响，或者在巷道掘进、工作面回采时，会因为不同程度的采动影响致使空巷顶板或者煤柱破碎而形成不同程度的冒落。通常冒落区域煤体破碎，围岩承载力较低，在外动力荷载影响下极容易进一步失稳，致使冒落的范围继续增大[1-2]。如果不对冒落区域进行处理，巷道掘进中易发生随掘随冒的现象，严重影响掘进的效率和施工安全。

1 工程概况

大西矿开采3#煤，埋深约257～374 m，工作面走向长度为664 m，倾向长度为180 m，煤厚平均为3.79 m，为近水平煤层。工作面直接顶多为泥岩，基本顶为灰色细粒砂岩与泥岩互层，顶板岩性整体较弱，赋存较不稳定。

根据探测可知，3023工作面前方34～157 m处有疑似冒落区域，具体形态如图1所示。如不对其治理很可能造成工作面回采时的片帮、冒顶事故，因此，对冒落区范围工作面煤体展开加固，并且加强对区域巷道的支护是保证工作面安全回采的关键。

图1 工作面布置及冒落区形态

2 冒落区赋存特征及加固措施分析

为展开冒落区域煤体的加固及巷道支护补强，首先要分析冒落区形成的原因以及相应的赋存特征，从而有利于选择合适的加固手段，有针对性地展开巷道的补强。

2.1 冒落区的赋存特征

由于旧式采煤工艺对井田不合理的规划，遗留的废弃空巷和煤柱是在采动影响下发生冒落的主要范围，分析可知原因主要有以下3方面：

（1）采用旧式采煤法所遗留巷道的支护主要是木点柱支护，经过多年的放置，木柱会受到环境的腐蚀发生风化导致其失去承载力，进而使巷道顶板有所下沉，巷道两边裸露的煤体存在风化现象，导致强度有所降低，因此在采动影响下有较大的风险。

（2）旧式采煤方法开采时基本不回收顶煤，未回收的顶煤在受到矿山压力的作用下发生垮落，顶煤塌落范围形成冒落区域，同时由于顶煤垮落，也会对直接顶的稳定性产生影响。

（3）旧式采煤工艺采用高落式开采，巷道经过扩帮放顶形成临空区，在长期矿山压力的作用和缺乏支护补强的条件下，随着时间推移，巷道的直接顶逐渐垮落，从而形成冒落区域。

通过分析可知，发生冒落的主要原因是巷道围岩承载稳定性不足以及巷道原有支护强度不足两个方面，因此对于工作面过冒落区域方式的选择也主要从以上两方面。

2.2 冒落区域加固方式选择

由于旧式回采工艺，工作面前方会存在由于空巷、煤柱失稳而形成的冒落区域，在3023工作面回采时，应分别对空巷以及煤柱区域采取不同的支护和加固方式。

（1）在空巷支护方面，首先需要优化空巷支护参数，采用预穿钢钎控制冒落的大块矸石，防止其冒落；对于比较破碎的矸石，注浆加固时渗透于冒落区内破碎煤岩体的浆液将其固化粘结为一个整体。

（2）煤柱失稳影响范围内采用注浆加固的方式，提高围岩承载能力。在破碎煤岩体中注入浆液，渗透于冒落区内破碎煤岩体的浆液将其固化粘结为一个整体，提高复采巷道的稳定性[3-4]。注浆通过流动可以填满基本顶与冒落矸石之间的空洞，可有效减缓基本顶的下沉，防止基本顶受采动影响出现冒顶现象。

3 冒落区加固方案设计

3.1 冒落区巷道锚杆支护补强方案

3023工作面运输巷宽5.0 m，高4.0 m，均采用锚网索支护方式。巷道顶部锚杆选用规格为Ф20 mm×2400 mm，每排6根，锚固深度2300 mm，排距900 mm，间距900 mm，顶角两根锚杆距离帮部250 mm，倾角为15°。帮锚杆选用Ф18 mm×1800 mm，左右两帮各4根，钻孔深度1700 mm，排距900 mm，间距1100 mm，顶部锚杆距离顶板约200 mm，底部锚杆距离底板500 mm，并向底板倾斜15°。巷道断面全采断面均采用金属网铺设。巷道内采用工字钢棚支护，棚间距为800 mm。巷道支护断面示意图如图2所示。

图2 巷道支护断面示意图

当工作面巷道掘进通过旧采空巷冒落区时，需要根据复采巷道围岩结构类型，采取多种支护方式相结合的支护方案。故而在3023工作面前方遭遇冒落空巷时，需要对巷道支护进行加强，支护方式与在实体煤中掘进基本相同，但为了减少顶板的整体下沉量，在原有支护的基础上对煤柱顶板相对完整的区域补打锚网索进行补强支护。锚杆间排距为1000 mm×1200 mm，锚杆型号为Ф22-M24-2400，锚索间排距1800 mm×1600 mm，锚索型号为SKP22-1-8.4 m。

当巷道需要通过冒落区时，由于应力转移致使巷道顶板压力较大，会造成巷道掘进时容易发生片帮冒顶，甚至漏空现象。因此在架设工字钢棚时，需要将工字钢棚间距由800 mm减少至500 mm，同时两帮铺设金属网，必要时两帮采取喷浆或注浆措施，防止两帮破碎和漏风。

3.2 冒落区注浆加固补强方案

注浆加固能够通过胶结浆液和破碎煤岩体，提高围岩的完整性，进而提高煤岩体承载能力和残余强度，降低煤壁片帮、巷道冒顶的风险。因此，此次注浆采用单液注浆材料，该材料为无机单液组分，不发热且无毒，能够在15 min内快速凝固，初期强度高，选择1:1的水灰比1 d的强度可达15 MPa。3023运输巷过冒落区的钻孔布置如3所示。

图3 冒落区域注浆钻孔布置图

注浆加固的具体工艺和注浆参数如下：

（1）钻孔布置。单孔平行布置，共计布置17个钻孔，钻孔间排距在6～9 m。为了能够有效地加固冒落的煤岩体及其间的煤柱，钻孔的角度不宜太大，以防止钻孔进入顶板，不能够有效地加固空巷间破碎的煤体。为便于排渣，钻孔的仰角控制在2°～3°。钻孔开口直径Ф133 mm，正常钻进时采用Ф75 mm的钻头，钻孔与巷道中心线的夹角在45°。

（2）在大量注浆前，为防止漏浆，应当进行封孔处理。插上注浆管后，首先用水灰比0.7:1的单液材料展开封孔，待半小时后浆液初凝后再展开进一步注浆。

（3）为提高经济效益，注浆的水灰比应当比封孔的水灰比略大。因此正常注浆时，水和无机注浆材料为1:1。

（4）注浆系统主要由注浆泵、搅拌桶及配套管件组成。注浆泵选用ZWBQ50/19气动注浆泵，搅拌桶为矿用QB220气动搅拌桶。

（5）由于注浆加固的对象为破碎的煤岩体，为防止注浆压力过大致使煤岩体进一步破碎，注浆过程中的注浆压力应当控制在2 MPa左右，漏浆时可适当较低。

4 冒落区加固效果检验

当探测出巷道前方有冒落区时，首先通过钻孔窥视了解冒落区域的形态和煤岩体的破碎程度。窥视结果如图4所示。

图4 注浆前钻孔窥视结果

由钻孔窥视结果可知，钻孔变形较大，有严重的塌孔现象，并且钻孔内壁破碎，破碎的块体大小不均匀。结果表明，冒落区的煤岩体极度破碎，并且在巷道通过冒落区时，原有的破碎散体结构的平衡状态再次遭到破坏，可能发生随掘随冒现象，影响工作面的正常接替。因此，在巷道掘进至冒落区域时，需要利用注浆材料对旧巷冒落破碎煤岩体展开加固。

注入的浆液能够起到网络骨架的作用，增加碎裂围岩的完整性和稳定性，提高松散围岩的残余强度和自身的承载能力，与支护结构形成共同承载体，有力提高巷道围岩的稳定性。

注浆加固后，对注浆范围内的煤岩体又一次展开窥视，注浆后钻孔内的形态如图5所示。

图5 注浆后钻孔窥视结果

由窥视的结果可知，注浆后冒落区钻孔的成孔良好，没有出现塌孔的现象，并且钻孔孔壁光滑，浆液充满破碎的煤岩体，没有出现明显的裂隙发育现象，煤岩体完整性显著提高。

5 结论

（1）分析了冒落区域的赋存形态特征，提出采用巷道加强支护和煤体注浆加固的联合治理措施。为提高巷道顶板的稳定性，设计了巷道顶板的补强方案和注浆加固的工艺参数。

（2）通过钻孔窥视对比注浆前后冒落区煤岩体赋存特性可知，注浆加固有效提高了冒落区煤岩体的完整性，加固效果良好，支护方式合理，实现了工作面的顺利推进和安全支护。