超高水材料老巷注浆加固技术的研究和应用

董小娟

（1.国家能源充填采煤技术重点实验室，河北 邢台 054000；2.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；3.河北充填采矿技术有限公司，河北 邢台 054000）

1 概 况

东庞矿西庞井为立井开拓，采用走向长壁区域后退式综采放顶煤、全部垮落法控制顶板采煤法，目前矿井正在开采9302 工作面。9302 工作面中部原设计有1 条巷道用于上部工作面的泄水巷使用，随着工作面的推进，9302 工作面即将通过老巷，若采用常规支护，不仅维修加固劳动强度大，还有可能使其内部存在的有毒有害气体溢出，为此必须对老巷采取措施，进行注浆充填加固，否则将影响矿井的正常生产。

2 存在的问题

9302 工作面老巷与工作面上下两巷呈44°夹角，巷道长128 m，上端头与下端头高差3.4 m，坡度约1.5°，上端头与下端头标高分别为-290.3 m、-293.7 m，中间段标高为-289.5 m，巷道整体走向呈上凸的趋势。该老巷曾作为上邻工作面的泄水巷使用，巷道受水浸泡后煤体强度降低、锚索锈蚀较为严重，巷道又受到上邻工作面采动影响，经初步探查巷道上端头已冒落、部分中间段和下端头也已冒顶。若采用常规人工维修再支护，不仅安全得不到保障，而且工人劳动强度大、工期耗时长。为此，决定采用超高水材料对工作面老巷进行注浆充填。

3 方案选择

针对工作面老巷现状，提出2 种解决方案。

3.1 方案（1）

常规人工维修支护方案。该方案先对老巷两侧密闭内气体进行检测，排出密闭内有毒有害气体，然后把老巷两边密闭打开，根据巷道内具体情况进行整修。若巷道内顶帮支护情况破坏严重，还需对巷道顶帮进行维修，为保证回采安全，必须在巷道打两排顺巷棚子。这种支护方案不仅安全得不到保障，而且工人劳动强度大、工期耗时长、经济也不合理。

3.2 方案（2）

超高水材料注浆加固充填方案。该方案是在不启封密闭的情况下在巷道两侧打设注浆孔，然后安装注浆管，对巷道进行注浆即可，该方案操作性较强，不仅能防止常规方案中启封密闭时带来的不安全问题发生，还可以使工人劳动强度变小、工期短、成本可控性好。

针对以上诸多优点，选择方案（2）。

4 充填施工方案

4.1 施工方案

为实现综放工作面安全开采，保证在回采工作面超前支承压力作用下，空巷顶板不发生冒落，将需充填的空间充满、保证接顶。

（1） 充填体有适当的强度，有效支撑顶板，且后期在压力作用下可以有较大的塑性变形。

（2） 快速充填，减少充填施工时间。

（3） 充填工艺简单，充填系统易于操作。

采用超高水材料充填空巷可以满足以上要求。根据实验室试验结果，参考以往的工程实践，综合考虑井下施工条件、工作面超前支承应力的作用效果、浆液固结强度及材料消耗等因素，确定浆液的水灰比为5∶1，每吨材料可充填体积约5 m3，凝结体终强0.9 ～1.1 MPa。

分次充填：打钻填充前首先分别在9302 轨道巷下帮和9302 皮带巷上帮5 m 处沿顶打设放水孔1个，安设放水阀门。其次，在距9302 老巷巷口以外轨道巷下帮打设4 组注浆孔，开孔位置分别为距老巷巷口10、15、23.5、40 m，底板以上1.3 m 位置，终孔位置与老巷顶部贯穿，贯穿后安装2 寸管用于注浆；在距老巷巷口以里皮带巷上帮同样打设4 组注浆孔，开孔位置分别为距老巷巷口10、20、30、40 m，底板以上1.3 m 位置，终孔位置与老巷顶部贯穿，贯穿后安装2 寸管用于注浆，待普通硅酸盐水泥与粉煤灰混合料填充完毕后，对9302 老巷巷外段上、下各6 m 的范围内充填改性超高水材料，具体为距老巷口以外轨道巷下帮打设2 组注浆孔，开孔位置分别为距9302 老巷口6 m、7 m，底板以上1.3 m 位置，终孔位置与老巷顶部贯穿，贯穿后安装2 寸管用于注浆；在距9302 老巷口以里9302 皮带巷下帮打设2 组注浆孔，开孔位置分别为距9302 老巷口6 m、7 m，底板以上1.3 m 位置，终孔位置与老巷顶部贯穿，贯穿后安装2 寸管用于注浆。巷道注浆管路布置示意图如1 所示。

图1 巷道注浆管路布置示意Fig.1 Layout of roadway grouting pipeline

4.2 充填材料、工艺与系统

超高水材料分A、B 料2 部分，按1∶1 的比例配合使用，需要分别加水搅拌输送，在充填点混合，A、B 料单独搅拌、输送均不凝固，混合后能快速凝固。利用粉煤灰、黄土对超高水材料进行改性，经过大量对比实验发现，在超高水材料A、B料中分别掺加20%～30%的粉煤灰或黄土，超高水材料强度和流动性没有较大改变，但材料固结体在相同的压力条件下压缩率出现明显降低，改性后的超高水材料能够更好的满足井下老巷充填的需要，同时也降低了充填的成本。充填工艺系统：利用地面已有的泥浆搅拌池分别搅拌A 料、B 料浆液，再将搅拌好的2 种料浆分别在地面注浆站，经灌浆泵及高压输浆管路输送到9302 轨道巷注浆孔口，在孔口混料器混合并经注浆孔注入封闭的空巷后凝固，如图2 所示。

图2 注浆设备配置示意Fig.2 Grouting equipment configuration

4.3 充填施工及要求

（1） 充填施工前，由专人进行充填站、输浆管路与压力表、混料器及充填孔、密闭墙等全面检查，检查合格后及时向充填站工作人员联系，开始制浆充填。充填点人员观察出料口均匀流出A、B 混合料浆后，将混合管与充填孔联接进行正式充填。

（2） 在充填过程中，应巡回检查周边情况，发现问题及时处理。每一班充填结束后或暂时中断充填时，需要认真清洗设备和管路。

（3） 严格按照设计顺序充填。

（4） 充填过程中观察A、B 两种浆液的吸入量，保证等量吸浆，严格按设计要求配比，严禁工人随意加水加料。

（5） 在混料器附近的上游A、B 料两趟管路上分别安设1 台压力表，充填过程中时刻关注压力表读数，2 趟管路压力表读数相同或接近时可正常注浆，若2 台压力表读数相差较大，必须立刻报告注浆站停止注浆，查明原因进行处理。

（6） 充填区段在充填接顶后，必须再带压充填一段时间，保证接顶。

（7） 每24 h 要用清水冲洗一次管路，每次停泵或充填结束后，必须认真清洗充填设备和管路。

5 注浆加固改造效果

（1） 超高水材料的研究与应用。

综合考虑工作面老巷井下施工条件、工作面超前支承应力的作用效果、浆液固结强度及材料消耗等因素，利用材料便利，对超高水材料进行性能改进，通过试验综合分析计算，对注浆工艺、注浆参数及材料进行优化，选择出与之匹配的注浆材料配比，使煤体与浆液固结后，接近煤体强度，保证了开采效率和安全系数，达到了预期效果。

（2） 超高水材料地面注浆充填设备及工艺系统的研发与应用。

在工作面老巷采用充填加固技术，采用地面配料搅拌、井下封闭巷道钻孔注浆的新型注浆工艺系统，钻孔扇形布设，使浆液充分充填于老巷空间内，实现了空巷充填。将冒落的煤岩体胶结，使老巷内部形成一定强度的加固拱,有效地控制了破碎顶板的垮落，且施工工艺简单。

（3） 超高水材料老巷注浆加固对巷道影响的研究。

9302 工作面老巷充填后将冒落的煤岩体胶结，使老巷内部形成一定强度的加固拱,有效地控制了破碎顶板的垮落，且杜绝了老巷内瓦斯涌出和自然发火的风险。

6 结 语

超高水材料老巷注浆充填加固技术在9302 工作面的研究和应用，在顶板方面，解决了利用传统支护中的耗时、耗工、耗料且存在顶板冒落的安全问题，既充填了冒落空间，又使老巷内冒落煤体通过浆液粘结加固后，接近煤体强度，简化了采煤工艺，降低了开采风险；在“一通三防”方面，通过注浆加固，杜绝了老巷漏风问题，降低了自然发火的可能性；在防治水方面，通过注浆加固，减少了对底板扰动破坏，降低了突水风险。采用超高水充填材料注浆加固技术可取得较大的经济和安全效益，为其他矿山治理老巷空区提供了一种安全可靠的新技术。