煤炭工业中新型注浆工艺的经济性分析

李旭亮， 梁福兵， 秦 涛， 杨雅卓

（山西长治联盛首阳山煤业有限公司， 山西 长治 046099）

0 引言

首阳山煤业3 号煤层赋存区域全部遭到了开采破坏，复采时重新掘进巷道要通过以往的老空区，虽然在顺槽进行了钢棚支护，可是顶板管理难度非常大，煤岩体的整体稳定性和承载能力很差[1]，极易发生设备下沉、工作面冒顶等事故，严重影响工作面的生产安全和生产效率，因此必须及时有效地维护好顶板，才能安全通过老巷，确保生产安全[2-5]。依托于现代工业的高度科技化进步，本文对首阳山煤业3106综采工作面空巷开展注浆充填加固应用，并分析了其带来的良好效益。通过现代化工艺的应用，确保了工作面的生产安全，生产效率得到保障，也为煤炭工业经济的健康发展提供助力。

1 工程概况

本次施工所在的3 号煤层位于山西组下部，上距K8 砂岩底45 m 左右，下距K7 细砂岩8 m 左右。煤层厚5.05～5.15 m，平均5.11 m，为厚煤层。含1 层炭质泥岩夹矸，结构简单，厚度大，井田北部和东部大面积剥蚀，仅赋存于井田西部。煤层赋存条件稳定可采，3 号煤层的直接顶为粉砂质泥岩，其上方的基本顶和底板均为泥岩，都具有良好的隔水性能。

3106 工作面位于井田西侧边界，如图1 所示，整体地势呈现北高南低的趋势。3106 工作面主要被1996、1998 小煤窑破坏区影响，采空区不仅大面积存在且分布无规律。根据现场调查情况，3106 回风顺槽整体煤壁和顶板都遭到不同程度的破坏，目前巷道内采用工字钢进行支护。

图1 3106 工作面底板等高线示意图

2 注浆加固方案

根据3106 工作面内实际情况，且煤壁遭到一定程度的破坏，因此设计采用分段注浆的方法进行施工。在施工时，先进行浅孔施工，先用低压对浅孔进行注浆，具有胶结性的浆体可以封堵浅部破碎围岩的裂隙，如此在保证围岩完整的基础上，可以避免之后注浆时有浆液渗漏。完成煤壁加护后，再进行深孔施工，高压对深孔进行补强注浆加固，使内部破碎岩体的承载能力得到提升。

在施工时，钻孔应向顶板方向仰起，利用重力使浆液得到充分扩散，实现采空区密闭、掘进迎头正前方老巷完全充填满，冒落矸石实现胶结，巷道掘进至老巷位置时，矸石及胶结料可形成一个整体作为人工假顶。

3 注浆加固治理

3.1 注浆孔布置

由于3106 运输顺槽内皮带的影响，钻机在3106运输顺槽内无法进行大幅度活动，所以主钻孔工作场地设于3106 回风顺槽内，辅助工作在3106 运输顺槽开展。每个钻场间隔20 m 分布于3106 回风顺槽内，钻孔深浅交替排列。浅孔加固煤壁，深孔以5°～10°的仰角钻进至破碎区。浅孔每排1 个，孔深6 m，20 m一排；深孔每排两个，孔深以实际施工为准，20 m 一排。钻孔布置如图2 所示。

图2 钻孔布置断面图

3.2 注浆孔设计

1）钻孔直径：充填管的内径为2.5 英寸（63.5 mm）或2.0 英寸（50.8 mm），选用50 mm 的钻杆，开孔直径110 mm，终孔直径75 mm。

2）钻孔终孔高度和深度：煤层厚度4.5 m，巷道掘进高度2.6 m，上方1.9 m 顶煤（综采工作面采高2.4 m、顶煤高度2.1 m），直接顶为3.43 m 砂质泥岩。为实现胶结后顶板稳定性及减少充填成本两个目的，终孔位置距离巷道顶板3 m 左右较为合适。终孔深度应以实际到达破碎区的深度为准，且终孔位置需要满足高度要求。

3）封孔方式：采用囊袋“两堵一注”封孔（封孔长度2 m）或者注水封孔器封孔。

3.3 注浆材料

本次施工设计采用粉煤灰加固化剂作为注浆材料，主要原材料成分见表1，粉煤灰固化充填材料的特点主要有：由于粉煤灰为主要成分，不但可以做到废物利用，还能大大降低充填成本；粉煤灰与固化剂混合浆体流动性能好，可以均匀充填各类地下空洞和空隙，快速且具有一定强度，而且沉缩率小，操作工艺简单、安全。粉煤灰固化充填材料在粉煤灰水化和固化过程中不产生有害气体，对环境无污染，成本较低。粉煤灰固化充填材料不仅单浆可以长距离输送，双浆混合后速凝且时间可调，而且其高强性能和微膨胀性令其固结后能够及时承担承载作用，是一种经济又环保的材料。

表1 粉煤灰固化剂的主要原材料成分

无机粉煤灰固化剂为无机材料、呈粉末状。单位质量的粉煤灰固化剂能够固结5～25 倍粉煤灰，粉煤灰浆液与固化剂浆液混合后，初凝需要5～90 min，终凝需要120～240 min，凝结体不仅不吸水，而且受热失水速度很慢。用在矿井空巷充填、采空区充填等领域时，具有明显的经济社会效益。

由于可以超前进行两顺槽回采帮打孔老巷充填，而回采推进到充填区域所需要的时间较长，浆液凝固速度会稍慢一些，因此浆液配比为：固化比1∶15，粉煤灰浆液水灰质量比0.8∶1，即使用1 t 固化剂配15 t粉煤灰、12 t 水制浆。

4 应用效果分析

4.1 社会经济效益

在进行注浆加固前，巷道掘进安全隐患时所采取的补打锚杆、锚索进行补强支护成本投入较大，实际投入成本是设计时成本的1.5 倍左右。进行注浆加固之后，整体成型质量有所提高以外，冒顶现象也大大减少，每年可节约人工和材料投入成本约300 万元。除此之外，由于有效的加固支护，巷道掘进效率的提升带来的是煤炭产量的有效释放，较注浆加固之后增产240 万t，有效解决了矿井工作面连续开采的问题。随着该工艺进一步的深入研究和发展，将不断促进煤矿的绿色高效开采，具有十分良好的社会经济效益。

4.2 工业安全效益

为了观测注浆加固施工完成之后的空巷围岩控制效果，通过在巷道安置监测点观测围岩位移情况。通过观测可知，初期时巷道围岩位移量呈快速增加的趋势，当时间到达一定峰值后开始走向平稳，此后巷道顶底板和两帮的最大移动量均在安全允许范围之内。此外经过观测发现注浆后的顶板具有良好的完整性，冒顶状况显著改善，说明此次施工效果良好。不仅增加了巷道围岩的整体的稳定和安全，而且每天正常采煤情况下（检修、检查、停工或其他不可抗力等情形除外）工作面推进速度提高到了3 m/d，效率明显提高，表明注浆加固工艺的应用有效增强了煤岩体的整体性和稳定性，保证了煤炭开采的安全生产。

4.3 综合管理效益

注浆加固后，带来的不仅是掘进效率的提升，还有大量人力、资金、时间成本的节约，如此便有利于企业有更多的资源投入到运营管理中，以便制定科学合理的产、运、销一体化经营战略。在煤炭工业生产中，投入资金便可更新智能化设备，通过现代化、精细化的管理模式，强化运营管控，优化业务流程，不断提质增效，进而能够提高煤炭企业的整体竞争力，不断释放新时代煤炭工业经济企业的活力、动力。

5 结语

通过实地应用观测表明，对3016 工作面开展注浆加固施工以后，工作面冒顶的发生概率大幅降低，使巷道的整体性、稳定性得到改善。这项工艺不但保证了掘进工作的高效开展，为工作面过老巷时创造了安全的条件，还取得了社会和经济等多方面的良好效益。在新时代煤炭工业经济激烈竞争环境下，为煤炭企业提供了增强市场竞争力的有力法宝，持续助力企业的可持续发展，为煤炭工业经济发展添砖加瓦。