掘进巷道过小煤窑采空区围岩支护技术研究

马书剑

(山西汾西正文煤业有限责任公司,山西 孝义 032300)

资源整合矿井煤炭回采时面临部分煤层被小煤窑开采破坏问题,受开采工艺及技术、设备等制约,小煤窑开采区存在不规则的采空区及废弃巷道[1-2]。为实现煤炭资源经济开采,部分回采巷道难以避免需要掘进通过小煤窑采空区,在掘进过程中巷道面临围岩破碎、应力复杂、瓦斯涌出等各种问题,给巷道掘进安全造成较大影响[3-5]。注浆可提高破碎围岩承载能力及整体稳定性,同时封堵漏风通道对提高巷道掘进安全保障能力有显著促进意义[6-7]。为此,文中以山西某矿二采区回风巷掘进为工程背景,针对巷道掘进过小煤窑采空区期间面临的围岩破碎问题,提出采用超前注浆方式加固围岩,同时根据现场条件针对性地提出围岩支护技术措施,实现了巷道安全掘进及围岩变形有效控制。

1 工程概况

山西某矿二采区回风巷沿3号煤层掘进,3号煤层厚度均值6.0 m、埋深180 m、倾角2°～6°,赋存稳定,煤层顶底板岩性以粉砂岩、炭质泥岩以及砂质泥岩为主。二采区回风巷掘进区域存在小煤窑开采破坏区,具体掘进情况见图1.

图1 二采区回风巷掘进位置示意

二采区回风巷断面为梯形,巷道上部及下部掘宽分别为4.6 m、3.6 m,掘高为3.0 m,设计掘进长度为1 580 m,采用工字钢架棚支护方式。根据已有资料显示,二采区回风巷在掘进至250～390 m范围时会揭露小煤窑采空区,同时采空区内有保护煤柱,煤柱宽度为25 m,采空区内岩体破碎,煤柱稳定性较差且裂隙发育。二采区回风巷在过小煤窑采空区时面临围岩破碎、顶板容易垮落以及巷道漏风严重等问题。为此,矿井经过综合研判,提出在过采空区时采用超前注浆方式加固采空区不稳定岩体,并实现漏风裂隙封堵,以便为巷道围岩支护创造良好条件。

2 巷道围岩支护技术

2.1 超前注浆加固

二采区回风巷在采空区影响范围内掘进时,在巷道迎头布置超前注浆钻孔,实现采空区内不稳定、冒落岩体加固,并通过浆液在裂隙中扩散封堵漏风裂隙,减少掘进及后续使用期间巷道漏风量。在巷道掘进迎头超前注浆钻孔布置情况见图2.

图2 超前注浆钻孔布置示意

二采区回风巷布置7个注浆钻孔,钻孔开孔距底板1 000 mm,其中Y3、Y4及Y5钻孔有3°仰角,其余4个注浆孔仰角均为2°,终孔高度在0.5～2.1 m.每个注浆循环可实现掘进迎头前方40 m、宽13 m、高3.5～5.1 m(围岩破碎、注浆孔有效注浆半径在3.0 m以上,因此注浆顶板控制范围在3.5～5.1 m),加固区可形成稳定注浆帷幕,保障后续巷道掘进安全。单循环注浆深度为40 m,注浆完成后允许巷道掘进30 m.

由于采空区内岩体破碎,预计注浆钻孔成孔难度大,为此通过分次成孔方法提高钻孔成孔效果。具体钻进措施为:先采用D133 mm钻头钻进2 000 mm,下方1 500 mm套管,并进行注浆加固;后采用D75 mm钻头钻进至设计位置。若钻进过程中出现卡钻、不返水或者塌孔严重等情况时,则退出钻头先进行注浆,注浆完成后再继续钻进。

超前注浆材料用安固儿KDG,该注浆材料由水、胶体等构成,通过调节水灰质量比控制注浆材料凝结强度、反应时间等,满足注浆需要并提升注浆加固效果。具体采用的注浆材料技术参数见表1.

表1 注浆材料技术参数

注浆设备选用性能可靠、注浆压力大的2ZBQ-5/12注浆泵,该注浆泵在煤矿井下使用较为广泛。注浆泵技术参数见表2.注浆配备3 000～6 000 mm注浆管,YK-1压力表,采用直径为10～35 mm(依据现场条件选择)高压软管注浆。

表2 注浆泵技术参数

2.2 围岩支护设计

依据二采区回风巷现场情况,采用基本支护+补强支护过小煤窑采空区。巷道掘进期间基本支护设计见图3.围岩采用工字钢架棚支护,棚间距控制在800 mm;顶板铺金属网,避免漏矸;棚腿与围岩间用背板(木板)背实,避免破碎岩体冒落导致架棚受力不均衡,提高架棚承载能力。在采空区内掘进时需要穿越冒落区以及保护煤柱,因此依据掘进区域围岩类型差异采用不同补强支护方案控制围岩变形。

图3 架棚支护示意(单位:mm)

1) 冒落区支护。巷道在采空区掘进时,虽然进行超前注浆,但仍存在注浆未控制区,为此在巷道掘进期间采用局部注浆方式进行补强,局部补强情况见图4.采用风钻钻进D42 mm注浆孔,钻孔布置两排,上排钻孔距顶板500 mm、仰角4°～6°,与巷帮有2°～4°夹角,下排钻孔距底板1 000 mm、钻孔水平布置、与巷帮有4°～6°夹角。注浆浆液选用水灰质量比0.8∶1的水泥单液浆,注浆压力1～3 MPa.在巷道顶板穿插钢钎(长度3 000 mm),钢钎布置间距为700 mm,两排间有500 mm重叠距离。

图4 冒落区支护示意

2) 过采空区遗留煤柱围岩补强支护。在开采遗留煤柱时,煤柱两侧均为垮落区,煤柱内应力集中,同时煤柱在应力作用下部分区域被压酥、裂隙发育,为此在原有架棚支护基础上采用锚索补强支护,降低过煤柱期间顶板下沉量。在过煤柱期间顶板上布置2排规格为D18.6 mm×8 400 mm的锚索,按照间距×排距=2 000 mm×2 000 mm布置,顶板补强断面见图5.

图5 顶板锚索补强支护示意(单位:mm)

3 现场围岩控制效果

在二采区回风巷过小煤窑采空区时,通过超前注浆方式加固采空区内不稳定岩体,现场共计注入520 t注浆材料,表明采空区内矸石间裂隙以及空洞发育。具体注浆前后钻孔窥视成果见图6.

图6 钻孔窥视成果图

由图6看出,在注浆前钻孔周边裂隙发育、岩体破碎,在孔口及孔内多处位置均出现塌孔问题;注浆后钻孔孔壁完整、结构密实,钻进期间未出现塌孔情况,同时浆液在孔壁裂隙中有明显胶结痕迹,表明超前注浆起到了较好的加固效果。

二采区回风巷掘进完成后通过布置测点监测围岩变形量,具体结果见图7.巷道注浆及支护完成后,顶板变形量在初期(支护10 d后)增加较快,随着支护时间增加,顶板下沉量逐渐趋于稳定,最终稳定到162 mm.顶板下沉量监测表明,在小煤窑采空区内采用的支护方式合理,可为巷道安全掘进以及后续使用创造良好条件。

图7 顶板下沉量监测曲线

4 结 语

在二采区回风巷掘进过小煤窑采空区期间,提出采用超前注浆方式加固掘进前方破碎、不稳定岩体,通过单循环注浆可形成长40 m、宽25 m的注浆加固区,起到降低掘进期间漏风量、避免围岩失稳等目的。根据掘进过采空区期间围岩性质,决定在冒落区内采用架棚+局部注浆+顶板钢钎方式进行支护;在过煤柱期间采用架棚+顶板补强锚索方式进行支护。

采用钻孔窥视技术分析超前注浆效果,注浆后围岩裂隙充填注浆浆液,围岩稳定性明显提升,可为巷道掘进创造良好条件。支护完成后顶板下沉量最大为162 mm,顶板下沉量较小,围岩支护取得较好控制效果。