注浆加固技术在工作面过小煤窑采空区矸石冒落带中的应用

2022-07-25赵昕楠

煤炭与化工 2022年6期

赵昕楠

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013）

在煤矿井下开采过程中，由于受前期临近已开采小煤窑采空区或煤层地质条件影响，造成顶板岩层破碎，导致采掘作业过程中出现顶板下沉、顶空、支护困难等问题，严重时甚至发生冒顶事故，给矿井安全生产带来严重威胁[1-2]。目前处理顶板破碎通常采用的技术方法主要有注浆法、架棚法、木垛法、挺顶法、锚喷法、绕道法等[3-4]，其中因注浆法具有操作简单、效果好、安全性高等特点，是煤矿井下应用广泛的方法之一。河南芦沟煤矿12206工作面开采范围内有原小煤窑采空区，在工作面回采过程中预计会揭露小煤窑采空区，造成工作面顶板破碎、矸石冒落等问题，给工作面安全高效开采带来严重影响。为此，在工作面回采过程中，提出采用注浆法对工作面采空区内破碎矸石进行处理，确保工作面安全高效回采。

1 概况

12206 工作面位于该矿井田12 采区东翼，主采5 号煤层，煤层平均厚度4.6 m，平均倾角10°。工作面煤层顶底板岩性见表1。根据相邻已开采工作面和巷道掘进期间揭露的地质资料及超前探查情况，12206 工作面回采范围内水文地质简单，不受水害威胁，只有局部顶板裂隙处存在淋水现象，正常涌水量1.5 m3/h，最大涌水量3 m3/h。

根据12206 工作面物探结果和巷道掘进及临近已开采工作面揭露的资料分析判断，12206 工作面回采范围内存在原小煤窑采空区，原小煤窑工作面开采高度为2.2 m，宽度约为12 m，根据物探结果圈定的小煤窑采空区约为5 100 m2，原小煤窑布置如图1 所示。小煤窑开采区域内平均留有2.3 m 厚底煤，同时还残留有大量的护巷煤柱，工作面综合煤炭资源回收率仅有35%，存在煤炭资源浪费现象。为此计划对该小煤窑采空区内残留的煤炭资源进行复采，但在复采过程中将会存在采空区顶板破碎，容易造成顶板垮落、冒顶事故，对工作面安全高效开采造成严重影响。

表1 12203 工作面煤层顶底板岩性Table 1 Roof and floor lithology of coal seam in No.12203 Face

图1 12206 工作面开采范围内小煤窑采空区布置示意Fig.1 Layout of small coal mine goaf in No.12206 Face

2 注浆加固技术方案

由于采用物探方法探查工作面小煤窑采空区范围精度相对较低，且因12206 工作面开采范围内受小煤窑采空区影响范围较大，小煤窑工作面开采后采空区垮落容易造成各采空区相互沟通，采空区内破碎矸石对工作面回采影响较大。因此，为提高工作面采空区内破碎矸石稳定性，便于工作面顶板安全管理，确保工作面安全高效回采，采用注浆技术方法对采空区垮落的矸石进行充填加固，使破碎的矸石形成一个整体，提高其稳定性，以解决工作面回采期间顶板安全管理难度大问题。

2.1 注浆材料选择

在进行采空区注浆材料选取时既要考虑注浆加固效果，同时还需考虑用料成本。目前煤矿井下常用的注浆材料主要有2 种[5-6]，分别为有机化学类和无机类（水泥类），其中有机化学类注浆材料具有渗透性好、操作使用方便等优点，但在使用过程中容易产生有毒有害物质或气体，污染环境且材料成本也相对较高。无机类水泥浆液注浆材料可划分为水泥单液浆、水泥-水玻璃双液浆和高水速凝材料3 类，其中水泥单液浆在注浆加固作业时存在凝结时间长、结石率低、析水量大、控制难度大等缺点；水泥-水玻璃双液浆存在凝结后的岩体遇水时强度会大幅度下降问题，影响加固效果；而高水速凝材料具有较好的渗透性和流动性，胶结时间可控制调节，结石率达到100%，且其水灰比高、无析水、价格低，应用后不会产生有毒有害气体和物质，不会对环境造成污染。综上对比分析，决定选用高水速凝材料对12206 工作面回采影响范围内的小煤窑采空区破碎矸石进行加固。

2.2 注浆参数确定

2.2.1 注浆孔设计

注浆孔位置设计布置是否合理对注浆效果起到关键性影响。虽然在工作面切眼内布置注浆孔能够起到最好的加固效果，但在注浆施工过程中会对工作面正常回采造成较大影响，且存在注浆孔施工难度大，容易出现严重漏浆、跑浆等问题。在工作面巷道内布置注浆孔，可以向小煤窑采空区内进行超前注浆加固，浆液沿煤层倾角方向向下自流，增加浆液的渗透性，提高采空区破碎矸石胶结率。因此，选择在12206 工作面回风巷设计布置注浆钻孔。

在工作面回风巷内设计采用深孔和浅孔相结合的方式布置注浆孔，其中浅孔设计布置在距巷道顶板0.8 m 位置，钻孔深度为5 m、间距3 m；深孔设计布置在距巷道顶板1.2 m 位置，深度以钻进至小煤窑采空区内为准，钻孔间距为10 m。注浆孔具体设计布置如图2 所示。

图2 12206 工作面注浆钻孔布置示意Fig.2 Layout of grouting drilling in No.12206 Face

2.2.2 注浆量确定

因工作面回采区域受小煤窑采空区影响范围较大，在对采空区进行注浆时难以确定具体的注浆量，通常注入采空区内的浆液以液面超过采空区内原遗留底煤顶煤以上2 m 为宜，在现场实际注浆过程中，以相邻注浆孔漏浆、跑浆及总注浆量情况来确定单个注浆钻孔的注浆量。

2.2.3 注浆压力确定

注浆区域位于工作面采空区内，因采空区内岩体均较为破碎，矸石之间的间隙较大，在注入浆液时浆液渗入流动时受到的阻力相对较小，其阻力主要来自注浆管路，因此在注浆作业时压力不宜过大。根据类似条件下相关研究及以往注浆经验，确定小煤窑采空区注浆压力为0.5 MPa。

2.2.4 注浆时间确定

注浆时间一般与采空区内岩层裂隙发育及破碎情况、注浆量多少和浆液在采空区岩体内扩展速度大小等有关。在工作面小煤窑采空区内进行注浆时，由于采空区内的岩层裂隙与原岩裂隙发育不一样，因此不能按照传统的“浆液充满工作面围岩裂隙”为判断标准来确定小煤窑采空区注浆时间，而应根据工作面现场实际情况，以“工作面采空区内破碎岩体是否胶结”来判定注浆时间。在确定小煤窑采空区注浆时间时要根据注浆压力大小及注浆量多少等参数综合考虑确定。

2.2.5 浆液扩散半径

浆液扩散半径主要与注浆孔位置、深度，浆液性质、浆液在岩层裂隙中的延展情况、注浆压力等因素有关。此次注浆是在工作面采空区内，因采空区区域面积大，破碎矸石间隙大，浆液在采空区内流动扩散范围也相对较大，注浆扩散半径大小对注浆效果影响非常有限，同时因浆液在破碎矸石间流动扩散，准确确定其扩散半径难度较大。根据12206 工作面回采范围内揭露的小煤窑采空区矸石破碎情况，初步确定12206 工作面注浆浆液扩散半径为4 m。

3 应用效果分析

12206 工作面在2021 年6 月进行初采时，就开始在工作面回风巷布置施工注浆钻孔对工作面受小煤窑采空区影响范围内的破碎矸石进行注浆加固，直至2021 年9 月注浆结束，此时注浆加固点距工作面回采位置200 m，注浆作业未对工作面正常生产产生影响。注浆作业前按照钻孔设计将注浆孔施工到位后开始进行注浆作业，注浆时采用的注浆泵型号为2ZBSB8-1.1/6-22，注浆压力设置为0.5 MPa。依据探测的小煤窑采空区在12206 工作面的影响区域面积和注浆量，确定工作面采空区注浆加固的面积约为5 200 m2。

12206 工作面采空区采取提前注浆加固措施后，根据回采过程中揭露出的采空区矸石情况可知，小煤窑采空区已垮落的破碎矸石整体性和稳定性得到大幅度提升，工作面回采过采空区期间，煤墙及顶板基本未发生过大面积片帮、掉矸、垮落现象，工作面顶板得到有效控制。工作面生产期间能够保持正常快速推进，每天能够实现6 个正规循环，日推进3.6 m/d。同时在过采空区回采过程中，不需要提前加设木垛或打设单体柱支柱对工作面顶板进行超前支护，减少了人员在煤壁侧作业，降低了人员劳动强度，大幅度提高作业安全系数。