高性能无机注浆材料在“孤岛”工作面巷道加固中的应用

赵建阳

（煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

随着我国煤矿采深的增加，开采煤层时受到的地应力作用增大，尤其是遇到“孤岛”式工作面时，采动动压对于巷帮煤柱具有较强的破坏作用，当回采临近地质构造和断层带附近时，由于应力集中，会导致顶板出现破碎，降低工作面及两巷的支护强度，造成补强加固困难[1-2]。因此，为提高顶板和煤柱的结构稳定性，降低动压对其影响破坏强度，采取预注浆的措施进行补强。通过实验室条件下改善注浆材料的力学性能，投入工作面进行实践，取得较好的加固效果。

1 工作面概况

12003 工作面位于糯东煤矿井田一采区西翼，北邻井田边界线，南邻1#回风巷和1#进风大巷，西翼为12001 工作面采空区，东翼为12005 工作面采空区，按照工作面布置设计采用跳采工艺，因此，12003工作面回采时已为“孤岛”工作面。糯东煤矿为多煤层开采，主采煤层有17#、19#、20# 和26# 四组煤层，12003 工作面主采20#煤层，采面地表标高+15 25～+1 850 m，井下标高+1 336～+1 359 m，20#煤全层厚度2.2～4.1 m，平均煤厚2.8 m，煤层总体层位稳定，含夹矸2～3 层，结构复杂，夹矸厚度0.1～0.8 m，平均厚度为0.5 m，多以泥岩为主，局部含有粉砂质泥岩，煤层倾角平均3°。工作面回风顺槽设计长度1 117.5 m，运输顺槽设计长度987.5 m，切眼长度141 m，设计可采长度为885 m，工作面呈倾向布置。采面内在掘进期间共揭露8 条正断层，落差为1.5～3 m，倾角40°～70°。采面顺槽与相邻工作面留设煤柱宽度达21 m。12003 工作面巷道布置，如图1 所示。

由于12003 工作面在回采前经过回风底抽巷、运输底抽巷和切眼底抽巷施工大量的穿层钻孔，采取对煤体进行水力冲孔连管抽采瓦斯的防突措施，造成煤体结构裂隙发育，稳定性下降，在回采期间受到采面两翼采空区工作面的动压影响，造成压力叠加，在回采过140 m 左右时，回风和运输顺槽超前支护段巷道受到挤压严重变形，两帮出现鼓包憋帮现象，最大移近量达到470 mm，导致回采侧煤壁及采空区侧煤柱松软开裂，支撑强度严重下降，为加强顶板支护，将巷道两帮部单体柱抬棚各向内偏移400 mm 重新打设，但巷道可操作空间严重受限，影响行人运输，尤其是更换电机、溜子槽等大型设备时无法清理出转运空间，制约安全生产。在应力叠加区域，巷道超前40～70 m 段底鼓严重，顶板存在不同程度的下沉，造成支护困难，最大顶底垂直移近量达到560 mm，需要安排专门巷修队伍随工作面向外推进不断卧底清道，进行巷道维护，无形中增加施工工程量和劳动强度，降低工作面的产出效率。因此，为提高巷道支护强度和煤体稳定性，减少回采煤壁和保护煤柱被破坏，采取向煤体和顶板注浆的方法，辅助提高自身结构强度。

2 注浆材料力学特性改良方案

目前适用于矿井井下生产用的注浆材料主要有无机材料类的水泥、粉煤灰等，以及有机材料类的聚氨酯、水玻璃等。虽然有机注浆材料具有流动性好、凝固时间段、注浆效果强度高以及方便制配、操作简单等优点，但有机注浆材料在反应过程中伴随着大量放热，对煤体进行注浆加固时，容易引发煤层燃烧等事故，具有一定的风险性[3]，且价格昂贵。因此，为更好地适用于井下生产条件和作业环境，针对无机注浆材料黏稠度大，流动性低，凝固时间长，扩散范围有限等缺点，选用硫铝酸盐水泥熟料、生石灰和石膏等材料按照一定量配比进行混合，并搭配早强剂、速凝剂等辅助材料。在实验室条件下进行配比试验，对注浆材料进行力学性能改良。

2.1 硫铝酸盐水泥熟料

SAC.42.5 标号的硫铝酸盐水泥熟料（SAC），主要包括CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO 等材料成分，在实验室条件下按照表1 中成分质量占比进行配置。

表1 硫铝酸盐水泥熟料成分质量占比

2.2 石膏材料

石膏选用矿用天然石膏（SG），主要成分包括SO3、CaO、SiO2、Al2O3等，在实验室条件下按照表2 中成分质量占比进行配置。

表2 石膏材料成分质量占比

2.3 石灰材料

选用常规生石灰（SH），主要成分包括CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O、K2O、TiO2等材料成分。在实验室条件下按照表3 中成分质量占比进行配置。

表3 石灰材料成分质量占比

此外，通过向混合注浆材料中添加萘系减水剂、早强剂、速凝剂和缓凝剂等辅助催化剂材料，有效控制搅拌后浆液的凝固时间和结块强度，以期达到提高煤岩体黏结完整性的目的[4]。

3 改良注浆材料的效果应用分析

3.1 注浆钻孔布置方案

根据初期工作面回采期间的顶帮巷道变形规律分析，设计注浆钻孔从切眼向外30 m 处开始施工，随工作面推进逐步向外扩展注浆范围。由于两巷留设有近20 m 厚保护煤柱，设计在12003 回风顺槽和运输顺槽内分别向保护煤柱和回采煤壁内施工注浆钻孔，下排钻孔距底板高度1 m，上排钻孔距底板高度2.5 m，均垂直煤壁打设，在顶板破碎段，在距顶板0.5 m 处以10°～15°倾角开孔，钻孔直径选用Φ42m m，孔深设计12 m，封孔管里段2 m 采用花管连接，便于浆液释放扩散，充填破碎带裂隙，钻孔间距5 m，上下排呈“三花眼”方式布置，能够最大限度确保注浆范围相互影响渗透，有效治理裂隙[5]。注浆钻孔设计断面如图2 所示。

图2 注浆钻孔设计断面

3.2 注浆后巷道移近量

由于煤岩体注浆随着工作面推进向外连续施工，在应力叠加区域和超前区段提前进行注浆加固，充填裂隙，有效提高煤岩体的可塑性和支撑强度，限制巷道顶帮的变形速度。加固后煤墙成型情况，如图3 所示。

为进一步观察注浆加固后的控制效果，在回采140 m 后的运输顺槽和回风顺槽外段每隔40 m 设置一组顶底移近量和两帮移近量的观测点，做好连续观测记录，实时掌握巷道变形量及变形速度，以及与工作面推进度快慢之间的相互影响关系。由于在初期回采的140 m 范围内发现工作面超前40～70 m 段底鼓严重，以12003 回风顺槽为例观察，在1 个月的时间内，采面外推距离切眼40、80、120 m 处的1#、2#、3#三个测站的移近量数据，将观测结果绘制成数据曲线，如图4 所示。

图4 两帮移近量顶底板移近量观测曲线

由图4 分析可知，当切眼临近观测点附近时，顶底板之间与两帮之间都会产生移近变形，这与受到向外传递的动压有关，但经过注浆改造加固后，1#观测点两帮移近量达到241.3 mm，2#观测点两帮移近量为252.6 mm，3#观测点两帮移近量达到217.5 mm，相较于未采取注浆加固措施前的两帮移近量达到470 mm，具有明显加固效果。在顶底板移近量变化中，1#测点观测最大值239.4 mm，2#测点观测最大值212.3 mm，3#测点观测最大值235.8 mm，相较于里段未加固回采的140 m 范围最大顶底移近量560 mm，取得显著控制效果。

4 结论

1）在实验室条件下以硫铝酸盐水泥熟料与生石灰、石膏等材料作为主要注浆原材料进行合理配比，并搭配早强剂、速凝剂等辅助材料制配出可调节注浆材料力学性能、抗压强度和可塑性的改良型材料。

2）在井下工作面实践应用后，经过对距离切眼最近的3 个测站连续数据观察，发现巷道两帮最大移近量为217.5～252.6 mm，顶底最大移近量为212.3～239.4 mm，相较于注浆加固前两帮最大移近量470 mm，顶底最大移近量560 mm，具有显著加固效果，有效控制巷道变形。