注浆工艺在极复杂“孤岛”工作面开采中的应用

年福田

（中煤新集能源股份有限公司刘庄煤矿，安徽 阜阳 236200 ）

临近“孤岛”工作面的岩体整体性遭到破坏，受动压影响后，处于流变状态，矿山压力显现规律极为复杂，矿山压力引起的巷道维护、顶板管理、防灭火治理等问题尤为突出。因此，研究一种快捷、安全、经济的治理手段，实现“孤岛”工作面安全高效开采，已成为矿井安全发展的一个重要课题。本文以刘庄煤矿120502“孤岛”工作面开采为背景，通过优化传统注浆工艺及参数，取得了良好的效果，对于类似条件下的“孤岛”工作面开采具有一定的指导和借鉴意义。

1 概况

1.1 矿井概况

刘庄井田位于安徽省阜阳市颍上县北部，面积约82.2km2。井田内共13层可采煤层，主要可采煤层平均总厚19.85m。

图1 120502工作面开切眼剖面

矿井核定生产能力1100万t/a，为煤与瓦斯突出矿井，水文地质类型为复杂型，采用立井、主要石门、集中大巷、分区开拓的开拓方式。矿井分东、西两翼，东翼水平标高为-762m，西翼水平标高为-747m。

1.2 “孤岛”工作面概况

1.2.1 工作面位置关系

工作面为走向长壁布置，切眼斜长295m，东临XL2陷落柱，西接东二5煤采区集中上山，南为120503采空区，北近120501采空区及原120502轨顺，上方为6-1煤。具体如图1所示。

工作面位于120601采空区下方，胶顺位于120601采空区南侧22.0m，轨顺位于120601采空区北侧约52m。120502工作面北侧为原120502轨顺和120501采空区，距原120502轨顺10m，距120501胶顺约22m；工作面南侧为120503采空区，距120503轨顺约33m。工作面胶顺上距120802采空区法距29.7～45.9m，工作面轨顺上距120801采空区法距41.0～46.6m，工作面切眼与120601采空区间距5.3～8.8m。临近工作面开采情况及位置关系如表1所示。

表1 邻近工作面开采情况及位置关系

1.2.2 地质构造情况

掘进过程中共揭露19条断层，其中1条落差大于5m，6条落差在2～5m之间。

2 工作面回采过程中存在的问题

（1）工作面距上方6-1煤平均8～12m，层间距小，胶顺与6-1煤间距4.2～13.4m。切眼下端头起22～215m与120601采空区间距5.3～8.8m，不利于巷道支护及工作面回采过程中的顶板管理。

（2）120502轨顺与原120502轨顺煤柱净宽10m，且原120502轨顺南帮每40～50m有一巷帮钻场（深度4.5m），煤柱宽度被进一步减小。受工作面超前回采动压影响，轨顺北侧煤柱维护困难，易与120503工作面采空区产生导通裂隙，不利于工作面回采期间煤柱维护、采空区瓦斯及防灭火治理。

（3）部分断层贯穿至采空区，形成风流通道，不利于工作面顶板、一通三防管理。

（4）120601回撤通道封闭前未做特殊填充处理，经探查，压实状况差，空间较大，极易集聚有害气体，工作面回采过巷期间存在顶板片冒、采空区有害气体异常涌出等问题。

（5）工作面两巷受回采动压影响，矿压显现明显，巷道围岩完整性进一步遭到破坏，巷道变形较严重，影响安全回采。

（6）周边闭墙及闭墙围岩受回采影响，多数变形开裂，密闭性较差，对工作面防灭火产生不利影响。

3 注浆工艺的应用与优化

针对工作面“孤岛”开采特点，先后采用注浆工艺对离层破碎围岩加固、老巷填充、密闭墙封堵等，具体措施如下。

3.1 断层加固注浆

从两巷向落差大于4m的断层面布置扇形注浆孔，终孔位于断层面附近，采用水泥浆高压注浆，改善工作面顶帮围岩条件，防止工作面与120601采空区形成风流通道。经统计，断层注浆单孔注浆量平均300kg（最多900kg），具体注浆孔设计示例如图2所示。

图2 断层注浆设计示例图

3.2 切眼超前加固注浆

切眼由上向下掘进，自临近120601采空区对应位置，向120601采空区施工注浆孔，对巷道顶板采空区岩体超前预注浆。浆液沿采空区裂隙向下自流，超前加固巷道顶板，为安全掘进创造条件。工作面回采前，超前对120601采空区两巷进行注浆充填，改善过巷处顶板环境，防止工作面初采期间超前片冒，导通采空区。

3.3 原120502轨顺充填注浆

自120502轨顺每隔约50m，向原120502轨顺施工注浆孔，使终孔位于原120502轨顺巷中顶板附近。采用两台注浆泵注水泥+水玻璃（简称双液浆）混合浆液，预先配置水灰比为1.4:1（重量比，下同）的水泥浆及水玻璃稀释液（水∶水玻璃=1:1，体积比，下同），合理调整注浆泵动作频率，使水泥浆液∶水玻璃液控制在4:1～2:1（体积比）范围内，使浆液混合后经终孔孔口流出的初凝时间约10～15s。利用浆液堆积形成混凝土挡墙，分段隔离后在挡墙中间施工注浆孔充填水泥浆液，使浆液扩散半径能够覆盖两挡墙之间空间，并通过自流有效充填两巷之间煤柱裂隙，提高煤体自承载性能，同时阻断120501采空区与120502采空区之间有害气体涌出通道。如图3所示。

图3 原120502轨顺注浆设计示例

3.4 120502两巷顶板离层、破碎段注浆

根据探查的顶板实际离层位置布置注浆孔，深浅孔配合（孔深2m，深孔超离层位置约1m），不喷即注，实现浅孔封堵浅部围岩裂隙，深孔高压充填深部离层裂隙，合理调整注浆参数，快速加固（浆液凝固时间控制在8s以内）。辅助采用顶板小角度钻孔注浆，快速大范围充填浅部破碎围岩，实现一次注浆加固范围12～15m。

3.5 120601回撤通道注浆

从两巷向120601回撤通道扇形布置贯通孔，先注水泥浆充填老巷底板裂隙，根据同坡度等长度斜巷模拟试验，得出浆液在类似斜巷耗时约30s，注浆套管长70～110m。通过调整双液浆配比，实现双液浆定点填充，确保浆液流至回撤通道下端头附近开始初凝，由下至上逐渐堆积充填回撤通道裂隙及空间。如图4所示。

图4 120601回撤通道注浆设计示例

3.6 密闭墙注浆

首先在密闭墙外顶底板及两帮与巷道延伸方向成一定夹角造孔，顶帮造孔深3～15m，底板孔深2～5m，注水泥+水玻璃浆液，填充围岩裂隙，增加闭墙附近围岩抗压性能。后根据密闭墙周边注浆效果，选择自密闭墙或密闭墙两帮向闭内造孔，终孔位于闭内顶板及两肩窝处，注双液浆充填。如图6所示。（1）上山巷道闭墙，宜采用粉煤灰辅助配合水泥（水泥∶粉煤灰=2:1～1:1）注浆，利用浆液渗透性强的特点，充分填充裂隙，加固闭墙。可采用间歇式注浆，防止连续注浆对闭墙产生过大压力而造成闭墙损坏。

（2）通过多次试验，平巷及下山巷道闭墙宜采用双液浆（初凝时间10s）注浆。通过调整注浆管路长度，使得浆液经终孔孔口流出后约3s初凝，可有效控制浆液流淌范围，实现快速定点注浆封堵。

图5 平巷密闭墙注浆设计示例

4 注浆效果

（1）通过对断层面预注浆，使断层附近破碎围岩构成一个整体，防止围岩进一步风化、水浸，增加围岩自承载能力。工作面过断层期间未出现片帮、掉顶、有害气体异常涌出、动力现象等。

（2）通过对切眼超前预注浆加固，掘进、安装及初采期间，切眼和工作面顶板整体稳定完好。经观测统计，巷道顶板最大变形量280mm，帮部最大变形量140mm，未出现片帮、冒顶现象。

（3）通过对原120502轨顺超前注浆充填、加固，经统计，回采期间，煤柱侧帮部最大位移量720mm，未出现帮部扩修及有害气体超标情况，回采过程中仅采取局部卧底措施即可满足回采需要。

（4）工作面两巷（主要为胶顺）顶板及帮部围岩通过注浆加固，辅助施工锚索+矿工钢、单体等补强支护措施，经观测统计，帮部位移量均控制在450mm以内，配合巷道修复机超前卧底，即可实现工作面顺利推进。

（5）通过向120601回撤通道注浆充填、加固，过巷期间未出现片帮、冒顶、有害气体异常涌出现象。

（6）通过向闭墙内及周边围岩注浆，闭内气体、温度指标均下降至正常范围内。

（7）通过注浆工艺应用与优化，工作面最高月推进165m，原煤单产48万吨/月，实现了安全高效开采。

5 结论

（1）采用传统注浆工艺，通过优化注浆方案，可有效解决井工开采过程中围岩加固、裂隙充填、采空区隔离等难题。

（2）科学合理的注浆参数，需根据注浆目的进行优化调整，并辅以试验手段，方可实现快速定点高效注浆，达到因地制宜的效果。

（3）围岩充填、加固注浆，其注浆时间需遵循“先变形后注浆”、“找裂隙充填”的原理，注浆孔位置的选择需按照“哪坏注哪”的原则，结合工程进度及围岩变形情况进行随机选择调整。

（4）注浆工程中，根据注浆需要，可辅助配合粉煤灰等廉价材料，能够有效降低工程成本。