掘进工作面过采空区破碎顶板加固

靳敏捷

（山西乡宁焦煤集团通合煤业有限公司，山西 临汾 042100）

煤矿开采的前期工作需要采用对巷道进行掘进，在实际掘进过程中本身巷道围岩的平衡状态被打破，导致工作面巷道出现变形、松动甚至破坏的现象。因此，在对工作面巷道进行掘进时需采区基本必要的支护措施。除此之外，随着工作面的掘进可能存在过采空区的情况，由于采空区的平衡状态已经被打破，在该区域除了采用常规的支护方案外，一般采用注浆加固的方案对其顶板进行加固[1]。

1 注浆加固机理

山西乡宁焦煤集团通合煤业有限公司2103 运输顺槽掘进工作面高3.2 m，宽4 m，全巷道采用钢棚支护。现工作面掘进至150 m 时，遇老窑采空区，掘进工作面全断面为破碎状态，垮落碎石无规则分布，断面底部为1 m 多浮煤。为预防掘进巷继续推进出现冒顶问题，保证安全有序推进，现拟对此工作面迎头区域进行注浆加固。

所谓注浆加固指的是，采用相关的注浆设备将相应比例的浆液通过渗透、劈裂、压密等手段将其加入需要加固的介质中。在浆液的作用下能够提升介质的整体承受能力，保证了介质的整体性。注浆加固的主要机理为浆液能够将介质相对薄弱的部分重新胶结起来，从而实现对介质物理力学性能改善的目的[2]。在注浆加固的基础上能够减少后期的支护成本，提升介质的整体支护效果。

2 注浆加固方案的设计

在对2103 运输顺槽掘进工作面实际情况详细掌握的基础上，结合注浆加固的机理，本节针对性的完成注浆材料和浆液的配比，同时完成具体注浆参数设计。

2.1 注浆材料及浆液配比

结合现场情况综合分析，选用山西凝固力新型材料股份有限公司生产的煤矿加固煤岩体用硅酸盐改性聚氨酯材料（JG PU·SixOy）（以下简称凝固力—加固材料）及2ZBQ-8/10 立体型气动高压双液注浆泵设备。

此次注浆加固采用2ZBQ-8/10 立体型气动高压双液注浆泵，其相关技术参数如表1 所示。

表1 2ZBQ-8/10 立体型气动高压双液注浆泵技术参数表

2.2 注浆方案的确定

拟在工作面顶板酥软破碎处布置一排钻孔，钻孔深度为4.0 m，角度为斜向顶板30°，孔间距1.5 m，即帮孔距离两帮0.5 m 处，斜向巷道两帮10°，中间孔斜向顶板30°，开孔位置在顶板下方1 m 处。因顶板比较破碎，此次钻孔采用中空麻花钻杆打孔注浆，单孔注浆量原则上不少于60 桶，预计总量为5 t。单孔注浆量以注浆压力及煤壁返浆情况为终止注浆标准[3]。孔距、孔深、钻孔角度及单孔注浆量可根据现场实际情况进行调整（如图1 所示）。

图1 注浆钻孔平面示意图（mm）

2.3 注浆参数设计

注浆关键参数包括有注浆压力、扩散半径、注浆历时以及注浆顺序等。

1）注浆压力的确定。因为目前我们所使用的化学浆液属于真浊液，其粘度低、粒径小、渗透性强，较水泥等悬浊液所需的注浆压力要小的多。一般注浆压力为2～8 MPa。目前我公司的气动注浆泵（2ZBQ-8/10）最大注浆压力可达21 MPa。根据现场的实际情况，施工地点供风能力不低于3 m3/min，供风压力不小于0.5 MPa，注浆压力不小于4 MPa。

2）扩散半径的确定。布孔间距和注浆压力是浆液扩散半径的主要因素。受裂隙展布影响，浆液在被注浆体中在各个方向的扩散距离并非均匀的，其与注浆煤岩体孔隙、注浆压力和注浆材料性能密切相关。通过施工人员的经验积累，浆液在普通裂隙开度和孔隙率下的扩散半径约为1～1.5 m。

3）注浆历时。化学浆液的注浆历时主要取决与不同类型材料的胶凝时间。从目前现有的注浆材料特性及现场注浆经验积累来看，从开始注浆到浆液完全扩散或渗透到被注载体中所需要的时间为一般为10～20 min。

4）注浆顺序。注浆顺序根据地质条件、现场环境及注浆目的来确定。对于裂隙沟通比较好的煤岩体可采用间隔跳孔注浆方式，来减少串浆，提高注浆效果；对于大面积范围应采用先外围，后内部的注浆顺序；对于破碎煤柱整体加固可采用深浅孔配合注浆方式；对于裂隙比较发育，跑冒浆液比较严重的注浆载体，可采用先浅部注浆，浆液扩散后在浅部快速形成类似“止浆墙”的具有止浆效果的整体煤体，再深部注浆，保证深部浆液扩散范围和注浆压力[4]。

2.4 注浆工艺设计

注射凝固力加固材料具有以下优点：

1）工艺简单，操作简便。多功能注浆泵体积小，重量轻，压风作动力源。正常操作两人即可（一人连接、拆卸枪头，观察巷道顶帮返浆情况；一人操作注浆泵，观察注射泵的运转情况）。

2）专用封口器的设计合理。封口器一端有爆破阀，当浆液压力达一定值时，将爆破阀冲开，浆液便经注浆管注入岩层。较其他方法封口简单、省时、高效。

图2 注浆工艺示意图

3 注浆加固效果评估

为验证工作面过采区顶板的注浆加固效果，将掘进工作面过采区区域的分为两部分，其中一部分开展的注浆加固，另一部分为采用注浆加固，对两部分区域实际掘进过程中顶板的位移量进行监测，并统计得出如表2 所示的数据。

表2 注浆效果对比

如表2 所示，对工作面过采区区域采区注浆加固后顶板与浆液结胶为整体，顶板的整体性和围岩稳定性得到提升，在掘进过程中顶板下沉的垂直位移与未注浆明显减少。

4 结语

工作面在掘进过程中由于地质条件的复杂性在常规支护手段的基础上还需采用特殊的加固措施。2103 运输顺槽掘进工作面在掘进过程中遇到采空区的问题，本文主要对其顶板进行注浆加固。所采用的注浆材料为煤矿加固煤岩体用硅酸盐改性聚氨酯材料（JG PUSixOy），浆压力不小于4 MPa、扩散半径约为1.0～1.5 m、注浆历时为10～20 min。实践表明，经对掘进工作面采区注浆加固后浆液和顶板结胶为整体，下沉量也明显减少。