虎峰煤矿掘进工作面过空巷垮落区注浆加固技术

李韶鹏

（大同煤矿集团华盛虎峰煤业有限公司，山西 河津 043300）

1 工程概况

1.1 工作面概况

虎峰煤矿2-104 综放工作面主采2#煤层，倾角为4°～8°，平均6°，煤层结构简单，煤层厚度为3.5～5.5 m，平均4.5 m，局部煤层含1～2 层夹矸，厚度0.1～0.2 m，岩性为泥岩。煤层顶底板具体岩性情况见表1。

表1 煤层顶底板结构

2-104 工作面位于一采区轨道下山巷南西，北东为一采区专回、轨道、皮带下山，南东为2-106回采工作面，北西为2-102 已采工作面，南西为井田边界及船窝煤业有限公司。目前正在掘进2-1041巷，主要用于2-104 综放工作面的进风、煤炭运输及行人。巷道沿底板掘进，施工长度745.4 m，设计为梯形断面，上宽3.6 m，下宽4.6 m，掘高2.8 m。2-1041 巷掘进中将揭露遗留的小窑废弃巷道和巷采区，位于掘进巷道顶部或中部。煤层顶板因受小煤窑开采，大部分或局部已被破坏，顶煤易垮落，煤质松软，压力大，易引发冒顶事故。

1.2 空巷赋存特征

在2-1041 巷掘进工作面端头布置探查孔，对掘进面前方区域的空区顶板垮落高度及沿掘进方向的垮落范围进行探查，并结合钻孔窥视仪进行分析。探查结果表明：掘进面前方为小窑开采后遗留的废弃巷道和巷采区，且均已垮落，煤岩体破碎程度较高，其垮落高度在8～13 m 之间，影响范围达到了110 m。

2 过空巷注浆加固技术[1-4]

2.1 注浆加固思路

通过超前预注浆，可以将掘进面前方破碎的煤岩体胶结起来，提高围岩的完整性和自承载能力，随着工作面的掘进持续进行帷幕注浆，保证巷道安全高效通过空巷区域。由于空巷采空区的垮塌范围较广，进行完全注浆加固将导致成本大幅增加，而巷道断面相对较小，因此只需注浆加固巷道垂向上3～5 m 范围内的破碎围岩即可满足需求。注浆加固示意图如图1。

图1 注浆加固示意图

为达到破碎围岩的加固效果，采用高水灰比、早期强度高的注浆材料进行注浆。同时，注浆材料的终凝时间不应过长，以防止浆液扩散范围超出需加固区域，造成材料的浪费。

2.2 注浆钻孔布置

根据空巷赋存形态及垮落范围，确定每循环注浆加固的深度为40 m，掘进30 m 后再进行下一循环的注浆施工。由于2-1041 巷掘进面前方空巷的影响范围为110 m，因此需进行3 个“预注浆加固—掘进”的循环施工。

注浆钻孔布置方案如图2。在掘进面迎头布置2 排注浆钻孔，每排布置3 个钻孔，钻孔间距均为1100 mm，钻孔排距为1200 mm，上排钻孔距顶板800 mm，下排钻孔距底板也为800 mm。具体钻孔参数见表2。

图2 注浆钻孔布置（mm）

表2 注浆钻孔参数

注浆施工时，打完一个钻孔后立即进行注浆，再进行下一个钻孔的钻进及注浆。该作业方式一方面可以先对破碎围岩进行预加固，有利于其他钻孔的钻进，另一方面可防止相邻钻孔裂隙的贯通而影响注浆效果。

2.3 钻孔施工

由于空巷垮落区的围岩松散破碎，采用常规钻进方式极易出现卡钻、退钻机孔壁坍塌等现象，为保证注浆施工顺利实施，决定采用分段成孔的工艺进行钻孔施工。具体流程如下：

1）首先采用直径为120 mm 的钻头钻进，深度为300 mm，然后退钻，并下入2 节1.5 m 长的套筒，并将耐压强度为15 MPa 的高压法兰焊接在套筒外端。套筒示意图如图3。

图3 套筒示意图

2）连接法兰盘，进行一次注浆，对孔口破碎围岩进行加固，提高浅部围岩完整性。

3）一次注浆后进行封孔0.5 h，随后打开法兰盘，采用直径为75 mm 的钻头钻进至设计深度。

4）钻孔结束后，在孔内插入注浆管，进行破碎围岩注浆加固。

2.4 注浆材料

采用新型无机注浆材料进行注浆加固，该材料由两种成分组成，其离析率及泌水率低，浆液水灰比可以调节，调节范围为0.8:1～1.5:1，浆液初凝时间也可以调节，范围为10～24 min。其具体性能参数见表3。

表3 注浆材料性能参数

根据表3 的数据，浆液水灰比为0.8:1 时的初凝时间为10 min，终凝强度达到了18.3 MPa，不会大范围扩散，且强度较高，但成本也较高；浆液水灰比为1.5:1 时的初凝时间为20 min，终凝强度达到了11.5 MPa，其成本虽然较低，但终凝强度不足，且初凝时间较长，不适用于小范围注浆。因此，选择浆液水灰比为1.0:1，其初凝时间为12 min，终凝强度可达15.8 MPa，其强度、凝结时间均能满足注浆加固要求，且成本适中。

2.5 支护方案

根据围岩性质、巷道断面，确定巷道过空巷区域的支护形式为12#矿用工字钢全断面铺六边金属网正梯形支护。棚距0.55 m（在压力较大地段，根据实际情况棚距缩小至0.3 m），梁长3.3 m，棚腿长2.85 m。为防止顶板碎石垮落，保证架棚受力均匀，在工字钢上方用木板背实空隙。

为提高巷道过空巷的掘进效率，在掘进前采用穿插钢钎的方式构造人工假顶：钢钎规格为Ф60 mm×1300 mm，在紧靠工作面迎头第一架棚梁上方插5 根钢钎，棚梁两端距两端的钢钎间距为240 mm，钢钎之间的间距为650 mm，施工角度为20°。钢钎深入长度不小于750 mm，外露长度不得大于539 mm，且外露一端采用14#联网丝与顶部金属网连接。

3 工程实践效果分析

为评价过空巷围岩控制方案的效果，在巷道内布置测点，对过空巷期间巷道围岩的位移情况进行了实时监测，监测结果如图4。

图4 巷道围岩位移监测结果

由图4 可知，巷道掘进过空巷初期围岩位移量迅速增大，在15 d 后逐渐趋于稳定，稳定后巷道顶底板最大移进量为158 mm，两帮最大移进量为90 mm，均在允许变形范围内。另外现场观测结果表明，巷道顶板完整性较好，顶板冒落情况也得到了明显改善，表明该方案的围岩控制效果较好。

4 结论

1）通过超前探查孔对2-1041 巷掘进面前方的空巷赋存特征进行了分析，得出前方空巷区煤岩体破碎程度较高，垮落高度在8～13 m 之间，影响范围达110 m，为注浆加固方案的设计提供了依据。

2）根据空巷赋存特征及现场实际条件，对注浆加固的钻孔布置、钻孔施工、注浆材料等参数进行了设计，同时设计了巷道过空巷时的围岩支护方案。

3）现场监测结果表明：巷道掘进过空巷期间顶底板最大移进量158 mm，两帮最大移进量90 mm，巷道稳定性较好，保证了矿井的安全高效生产。