综采工作面沿空掘巷小煤柱巷帮注浆加固技术实践

董 凯

（山西平舒煤业有限公司，山西 晋中 045400）

1 工程概况

晋能控股煤业集团塔山矿8230 工作面位于二盘区西南部，东南以二盘区辅运巷为界，北西至四盘区盘区界线。工作面上覆为侏罗系古窑采空区，盖山厚度为359~610 m，平均479 m。煤层厚度14.29~24.38 m，倾角1~3°，煤层结构复杂，煤层中含7~15 层夹矸，夹矸厚度在2.06~3.61 m 之间变化，平均2.84 m，夹矸单层厚度为0.05~0.75 m，局部分层。工作面老顶为粗砂岩，厚度1.20~19.70 m，主含石英，分选中等，磨圆度好；直接顶为泥岩，平均厚度8.55 m，块状，均一结构，性脆，断口贝壳状，含植物化石，局部火成岩侵入，变质硅化，中间夹2#煤层，厚度2.36 m；直接底为深灰色砂质泥岩，平均厚度5.71 m，局部赋存6#煤层，厚度为1.50 m；老底为粗砂岩，平均厚度4.43 m，石英为主，长石次之，钙质胶结，含暗色矿物，分选差，次圆状。

5230 巷相邻的8228 工作面于2020 年3 月回采结束，距5230 巷道掘进已经历7 个月的稳定时期。8228采空区对应地表已经稳定，上覆岩层运动也处于稳定状态，采空区一侧的应力状态已经形成，应力降低区已经稳定出现。8230 工作面采取留设小煤柱沿空掘巷方式布置巷道，5230 巷为8230 工作面沿空掘巷巷道，巷道设计长度约1 972 m，小煤柱留设宽度为8 m，小煤柱一侧已采取喷浆封闭。目前受8228采空区影响，巷道已经明显两帮移近，最大移近量达到1.3 m，煤体已经疏软，浆皮脱落，随时可能引起小煤柱失稳，给工作面后期回采带来隐患。因此考虑采用注浆的方式对小煤柱一侧煤帮进行加固，对小煤柱一侧围岩进行加强，提高煤体的整体性和完整性，提高煤柱的承载能力，确保巷道的稳定性，为工作面的安全高效开采创造条件。

2 5230巷小煤柱侧注浆加固方案

2.1 小煤柱注浆钻孔布置参数

5230 巷注浆全长600 m，巷道为矩形断面，巷道掘宽5 200 mm，掘高3 800 mm，净宽5 100 mm，净高3 600 mm。结合现场巷道高度、巷道锚杆（索）支护参数以及现场风水管路布设等因素，设计小煤柱注浆钻孔参数如下：

小煤柱注浆钻孔分上、下两排，呈“三花”布置，注浆钻孔直径不小于42 mm，钻孔深度5 m，每排相邻钻孔水平间距为4 m，上、下排相邻钻孔水平间距为2 m，下排孔开孔高度距离巷道底板1.5 m，上排孔距离巷道底板2.5 m，下排钻孔垂直煤帮打设，上排钻孔施工10°仰角，钻孔由里向外依次编号，钻孔布置图及注浆示意图如图1、图2所示。

图1 5230巷小煤柱注浆钻孔布置示意图

图2 1-I剖面注浆示意图

2.2 封孔材料与注浆材料

封孔材料与注浆材料均采用无机双液注浆材料，该注浆材料由A、B 两种组分组成，封孔水灰比0.7∶1，注浆水灰比0.8∶1。单料加水搅拌后可单独存放24 h以上，混合后0~5 min 失去流动性，5~15 min 完全固化，2 h强度可达8~15 MPa，适合封孔和浅孔注浆加固[1]。

2.3 注浆设备

1）注浆泵

封孔和注浆使用双液气动注浆泵，可以实现双液注浆，该注浆泵具有体积小、质量轻、方便移动等特点，如下图3所示。

图3 气动注浆泵外观结构图

2）搅拌桶

搅拌桶采用矿用气动式搅拌桶，型号为QB300，如图4，该搅拌桶具有重量轻、强度高、便于移动等特点，适用于井下不断调整注浆地点的施工状况[2]。

图4 煤矿用气动式搅拌桶外观结构图

3）双液注浆系统

无机双液注浆材料注浆系统如图5所示。

图5 双液材料注浆系统示意图

2.4 注浆管及封孔工艺

1）注浆管

注浆孔深5.0 m，钢管插入钻孔的长度为4.0 m，尺寸为2 节2 m 长的4 分钢管，钢管一端为板牙机车丝，钢丝长度约10~15 mm[3]，见图6。

图6 注浆管示意图

2）封孔工艺

注浆封孔对注浆质量影响较大，根据钻孔长度及围岩破碎状况，取封孔深度为1.0 m，封孔方法如图7所示。首先，将注浆钢管封孔段两端采用缠绕棉纱的方式进行封堵，而后注入无机双液注浆材料到中间段进行封孔，大约等待20 min左右，当双液注浆材料实现初步凝固且封孔作业完成后即可实施注浆作业[4]。

图7 注浆封孔方法示意图

2.5 注浆压力和单孔注浆量

1）注浆压力

注浆压力是影响注浆效果的重要技术参数。在实际施工过程中，注浆压力是根据煤岩体的裂缝发育情况确定的，注浆压力一般小于5 MPa。注浆压力采用先低压后高压的方式，并且注浆压力参数必须根据注浆速率和泄漏情况及时进行调整。

2）注浆量

由于煤柱宽度仅有8 m，小煤柱注浆为浅孔注浆，注浆孔设计尺寸较短，单孔注浆量有限。如果煤柱内部煤体破碎、裂隙导通，注浆时浆液可能从煤柱裂隙流入采空区，致使浆液损失，因此，结合现场情况，单孔注浆量不宜超过1 t，如单孔注浆量达到1 t且注浆压力不增加，存在漏浆至采空区的可能性，则停止本孔注浆，在附近范围内补打注浆孔重新注浆，补打孔的位置依据现场情况确定。

2.6 安全措施

工作面回采过程中，由于小煤柱存在裂隙、孔隙发育、封孔长度有限等问题，因此，如何防止漏浆是注浆施工的重点研究内容。当遇到严重的漏浆状况时，需将注浆泵暂停，或调整节流阀，以降低注浆速度；同时，注浆泵暂停时间不得超过3 min，每3 min 左右需开启一次注浆泵[5]，让泵的活塞往复移动2 次，而后再停止注浆泵，这样反复多次启停，直至注入的浆液全部填满渗浆裂隙为止，之后再继续进行正常的起泵注浆；而如果出现裂缝尺寸较大的渗浆通道时，可采用棉纱对渗浆通道进行初期填充，以辅助浆液对漏浆通道进行封堵[6-7]。

3 注浆加固效果分析

小煤柱注浆加固完成后，在开采过程中，对沿空巷道两侧围岩的变形情况进行观测，结果显示：未注浆加固段煤柱帮变形比较严重，巷道实体煤帮破碎情况较严重，煤柱帮最大变形量约0.8 m，注浆加固之后，由于注浆加固使煤柱内部破碎区整体性增强，内部承载性能增大，煤柱帮的变形量大大减少，最大变形量不足0.1 m，注浆加固方案可显著提高煤柱的刚度和稳定性，降低巷道围岩变形量。

4 结论

将无机双液注浆加固技术应用于小煤柱综采工作面，除了能够加固煤柱，提高煤柱强度之外，还能够有效提高煤柱的承载能力；同时，随着无机双液注浆材料的不断注入，煤柱中存在的各种裂隙、孔隙及产生的破碎区域亦将被封堵，从而可以大大减少开采过程中采空区与工作面之间的气体交换，在一定程度上避免了工作面开采过程中采空区发生自燃的问题。因此，注浆加固技术是控制小煤柱综采工作面开采中煤柱破碎、裂隙发育和围岩稳定性差的有效手段之一。该技术的成功应用将为今后该地区小煤柱工作面的开采和治理提供参考。