高性能無機注漿材料在“孤島”工作面巷道加固中的應用

趙建陽

（煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

隨著我國煤礦采深的增加，開采煤層時受到的地應力作用增大，尤其是遇到“孤島”式工作面時，采動動壓對于巷幫煤柱具有較強的破壞作用，當回采臨近地質構造和斷層帶附近時，由于應力集中，會導致頂板出現破碎，降低工作面及兩巷的支護強度，造成補強加固困難[1-2]。因此，為提高頂板和煤柱的結構穩定性，降低動壓對其影響破壞強度，采取預注漿的措施進行補強。通過實驗室條件下改善注漿材料的力學性能，投入工作面進行實踐，取得較好的加固效果。

1 工作面概況

12003 工作面位于糯東煤礦井田一采區西翼，北鄰井田邊界線，南鄰1#回風巷和1#進風大巷，西翼為12001 工作面采空區，東翼為12005 工作面采空區，按照工作面布置設計采用跳采工藝，因此，12003工作面回采時已為“孤島”工作面。糯東煤礦為多煤層開采，主采煤層有17#、19#、20# 和26# 四組煤層，12003 工作面主采20#煤層，采面地表標高+15 25～+1 850 m，井下標高+1 336～+1 359 m，20#煤全層厚度2.2～4.1 m，平均煤厚2.8 m，煤層總體層位穩定，含夾矸2～3 層，結構復雜，夾矸厚度0.1～0.8 m，平均厚度為0.5 m，多以泥巖為主，局部含有粉砂質泥巖，煤層傾角平均3°。工作面回風順槽設計長度1 117.5 m，運輸順槽設計長度987.5 m，切眼長度141 m，設計可采長度為885 m，工作面呈傾向布置。采面內在掘進期間共揭露8 條正斷層，落差為1.5～3 m，傾角40°～70°。采面順槽與相鄰工作面留設煤柱寬度達21 m。12003 工作面巷道布置，如圖1 所示。

由于12003 工作面在回采前經過回風底抽巷、運輸底抽巷和切眼底抽巷施工大量的穿層鉆孔，采取對煤體進行水力沖孔連管抽采瓦斯的防突措施，造成煤體結構裂隙發育，穩定性下降，在回采期間受到采面兩翼采空區工作面的動壓影響，造成壓力疊加，在回采過140 m 左右時，回風和運輸順槽超前支護段巷道受到擠壓嚴重變形，兩幫出現鼓包憋幫現象，最大移近量達到470 mm，導致回采側煤壁及采空區側煤柱松軟開裂，支撐強度嚴重下降，為加強頂板支護，將巷道兩幫部單體柱抬棚各向內偏移400 mm 重新打設，但巷道可操作空間嚴重受限，影響行人運輸，尤其是更換電機、溜子槽等大型設備時無法清理出轉運空間，制約安全生產。在應力疊加區域，巷道超前40～70 m 段底鼓嚴重，頂板存在不同程度的下沉，造成支護困難，最大頂底垂直移近量達到560 mm，需要安排專門巷修隊伍隨工作面向外推進不斷臥底清道，進行巷道維護，無形中增加施工工程量和勞動強度，降低工作面的產出效率。因此，為提高巷道支護強度和煤體穩定性，減少回采煤壁和保護煤柱被破壞，采取向煤體和頂板注漿的方法，輔助提高自身結構強度。

2 注漿材料力學特性改良方案

目前適用于礦井井下生產用的注漿材料主要有無機材料類的水泥、粉煤灰等，以及有機材料類的聚氨酯、水玻璃等。雖然有機注漿材料具有流動性好、凝固時間段、注漿效果強度高以及方便制配、操作簡單等優點，但有機注漿材料在反應過程中伴隨著大量放熱，對煤體進行注漿加固時，容易引發煤層燃燒等事故，具有一定的風險性[3]，且價格昂貴。因此，為更好地適用于井下生產條件和作業環境，針對無機注漿材料黏稠度大，流動性低，凝固時間長，擴散范圍有限等缺點，選用硫鋁酸鹽水泥熟料、生石灰和石膏等材料按照一定量配比進行混合，并搭配早強劑、速凝劑等輔助材料。在實驗室條件下進行配比試驗，對注漿材料進行力學性能改良。

2.1 硫鋁酸鹽水泥熟料

SAC.42.5 標號的硫鋁酸鹽水泥熟料（SAC），主要包括CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO 等材料成分，在實驗室條件下按照表1 中成分質量占比進行配置。

表1 硫鋁酸鹽水泥熟料成分質量占比

2.2 石膏材料

石膏選用礦用天然石膏（SG），主要成分包括SO3、CaO、SiO2、Al2O3等，在實驗室條件下按照表2 中成分質量占比進行配置。

表2 石膏材料成分質量占比

2.3 石灰材料

選用常規生石灰（SH），主要成分包括CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O、K2O、TiO2等材料成分。在實驗室條件下按照表3 中成分質量占比進行配置。

表3 石灰材料成分質量占比

此外，通過向混合注漿材料中添加萘系減水劑、早強劑、速凝劑和緩凝劑等輔助催化劑材料，有效控制攪拌后漿液的凝固時間和結塊強度，以期達到提高煤巖體黏結完整性的目的[4]。

3 改良注漿材料的效果應用分析

3.1 注漿鉆孔布置方案

根據初期工作面回采期間的頂幫巷道變形規律分析，設計注漿鉆孔從切眼向外30 m 處開始施工，隨工作面推進逐步向外擴展注漿范圍。由于兩巷留設有近20 m 厚保護煤柱，設計在12003 回風順槽和運輸順槽內分別向保護煤柱和回采煤壁內施工注漿鉆孔，下排鉆孔距底板高度1 m，上排鉆孔距底板高度2.5 m，均垂直煤壁打設，在頂板破碎段，在距頂板0.5 m 處以10°～15°傾角開孔，鉆孔直徑選用Φ42m m，孔深設計12 m，封孔管里段2 m 采用花管連接，便于漿液釋放擴散，充填破碎帶裂隙，鉆孔間距5 m，上下排呈“三花眼”方式布置，能夠最大限度確保注漿范圍相互影響滲透，有效治理裂隙[5]。注漿鉆孔設計斷面如圖2 所示。

圖2 注漿鉆孔設計斷面

3.2 注漿后巷道移近量

由于煤巖體注漿隨著工作面推進向外連續施工，在應力疊加區域和超前區段提前進行注漿加固，充填裂隙，有效提高煤巖體的可塑性和支撐強度，限制巷道頂幫的變形速度。加固后煤墻成型情況，如圖3 所示。

為進一步觀察注漿加固后的控制效果，在回采140 m 后的運輸順槽和回風順槽外段每隔40 m 設置一組頂底移近量和兩幫移近量的觀測點，做好連續觀測記錄，實時掌握巷道變形量及變形速度，以及與工作面推進度快慢之間的相互影響關系。由于在初期回采的140 m 范圍內發現工作面超前40～70 m 段底鼓嚴重，以12003 回風順槽為例觀察，在1 個月的時間內，采面外推距離切眼40、80、120 m 處的1#、2#、3#三個測站的移近量數據，將觀測結果繪制成數據曲線，如圖4 所示。

圖4 兩幫移近量頂底板移近量觀測曲線

由圖4 分析可知，當切眼臨近觀測點附近時，頂底板之間與兩幫之間都會產生移近變形，這與受到向外傳遞的動壓有關，但經過注漿改造加固后，1#觀測點兩幫移近量達到241.3 mm，2#觀測點兩幫移近量為252.6 mm，3#觀測點兩幫移近量達到217.5 mm，相較于未采取注漿加固措施前的兩幫移近量達到470 mm，具有明顯加固效果。在頂底板移近量變化中，1#測點觀測最大值239.4 mm，2#測點觀測最大值212.3 mm，3#測點觀測最大值235.8 mm，相較于里段未加固回采的140 m 范圍最大頂底移近量560 mm，取得顯著控制效果。

4 結論

1）在實驗室條件下以硫鋁酸鹽水泥熟料與生石灰、石膏等材料作為主要注漿原材料進行合理配比，并搭配早強劑、速凝劑等輔助材料制配出可調節注漿材料力學性能、抗壓強度和可塑性的改良型材料。

2）在井下工作面實踐應用后，經過對距離切眼最近的3 個測站連續數據觀察，發現巷道兩幫最大移近量為217.5～252.6 mm，頂底最大移近量為212.3～239.4 mm，相較于注漿加固前兩幫最大移近量470 mm，頂底最大移近量560 mm，具有顯著加固效果，有效控制巷道變形。