综放工作面过空巷注浆技术研究

李胜利,王新颖,杨振东

(1.晋煤集团赵庄煤业有限责任公司 赵庄二号井,山西 长治 046600;2.晋煤集团长平煤业有限公司,山西 晋城 048006)

井工煤矿工作面在回采过程中,会遇到通过空巷的情况。空巷与工作面交岔处受应力叠加影响,导致周边煤岩体裂隙发育,往往出现工作面顶板破碎、片帮漏顶情况,对工作面回采造成严重影响。如何控制空巷处煤岩体,保证回采工作面安全快速通过空巷,学者们做了大量的研究。一般可分为以下几种方式[1-6]:打设木垛、密集单体柱对空巷顶板加强支护;空巷内进行充填加强对空巷的支护;距空巷一定距离停采,将工作面设备搬至新切眼等方式。密集支柱或木垛承载能力低,空巷处易出现片帮漏顶情况,高水充填对煤质影响较大,重开切眼的情况对工作面同层走向空巷的情况不适用。

1 工程概况

晋煤集团赵庄二号井2305工作面初步设计为斜长50 m的大采高短壁试验工作面。后期因矿井生产需要,将工作面斜长设计为160 m的综采放顶煤工作面,如图1所示。此设计变更造成23053巷成为处于工作面内部与工作面推进方向平行的“空巷”。23053巷设计为宽×高=4.5 m×4.0 m矩形断面,沿顶留底煤掘进,采用锚网带索支护,锚杆排距1.2 m,锚索排距2.4 m,使用Φ22 mm高强度2.4 m长锚杆,顶板使用1×19高强度6.4 m长锚索补强,右侧巷帮使用1×19高强度5.4 m长锚索补强。2305工作面回采过程中,23053巷受工作面超前支承压力影响,围岩变形量大,维护困难,23053巷附近的工作面煤壁片帮、顶板漏矸,影响正常生产。

图1 工作面与空巷关系图Fig.1 Relation between working face and abandoned roadways

2 超前支承压力对空巷影响规律

2.1 空巷测点观测方案

为了掌握2305工作面推进过程中对23053空巷影响规律,为巷道围岩控制提供基础数据,在23053巷内布置综合测站C1。C1测站处巷道支护的锚杆、锚索上安装锚杆、锚索应力仪,并在C1测站采用十字测点法进行巷道围岩位移观测。在测站距工作面100 m时开始观测,观测频率为每天一次。

2.2 应力分布规律

如图2、图3所示,在工作面前方60 m处,C1测站锚杆、锚索应力开始增大,工作面前方40 m处应力增加速度明显变快。帮锚杆应力增大趋势在工作面前方20 m处开始变缓,顶锚杆应力在工作面前方10 m处开始变缓,说明此时锚杆锚固范围内围岩已经出现破碎情况。帮锚索应力增大趋势在工作面前方15 m处开始变缓,顶锚索在工作面6 m处开始变缓,说明此时锚索锚固范围内围岩已经出现破碎情况。

图2 C1测站锚杆应力变化曲线图Fig.2 Anchor rod stress curves at C1 observation station

图3 C1测站锚索应力变化曲线图Fig.3 Anchor cable stress curves at C1 observation station

2.3 围岩变形规律

如图4、图5所示,在工作面前方60 m处,C1测点处围岩开始有变形情况;在工作面前方45 m处,巷道两帮、底板变形速度开始明显加快;在工作面前方32 m处,巷道顶板下沉速度开始有明显增大趋势;在工作面前方13 m处,巷道围岩变形均出现剧烈增大情况。

图4 C1测站巷帮变形量Fig.4 Side deformation at C1 observation station

图5 C1测站顶底板变形量Fig.5 Roof and floor deformation at C1 observation station

综合C1测站锚杆、锚索应力及围岩变形规律,可以得出,工作面超前应力影响区不小于60 m,明显影响区为13～40 m,剧烈影响区为0～13 m。

3 巷道维护方案

3.1 注浆方案

为了降低工作面回采过程中对空巷围岩的采动影响,采用超前锚注加固方案对23053巷进行加固,使用高压泵将浆液注入围岩破碎区中,增强空巷巷帮的强度和稳定性。

1)注浆钻孔布置。如图6所示,在空巷巷帮距底板2 000 mm、3 000 mm处各布置一排钻孔,垂直于巷帮,间距1 200 mm。钻孔孔深8 m,孔径89 mm。

图6 补强锚注布置图Fig.6 Reinforcement grouting layout

2)注浆时机。注浆时机应选在巷道煤体内有一定的裂隙发育,巷道围岩自承载能力未明显散失的区域。根据前期观测结果选择在工作面煤壁前方15～40 m范围施工锚注钻孔并进行锚注作业。

3)注浆工艺。施工锚注钻孔后,穿入8.4 m长注浆锚索,固结封孔后,进行全孔段注浆,浆液凝固2～3 d安装锚索托盘,并施加张拉至预紧力200 kN。浆液水灰质量比为1:1(2:1)根据现场情况调试,扩散半径为2～4 m。浆液浓度可由稀向浓调节,一般浆液浓度控制在2:1,如果裂隙发育可调节成1:1浓度浆液。

4)注浆材料。选用晋煤集团技术研究院研制的联邦加固单液超细注浆材料。20～30 min内浆液可流动,初凝时间60～80 min,终凝时间6～8 h,1 d强度可达16 MPa,3 d强度可达25 MPa。

5)注浆压力。注浆终压值根据巷帮裂隙情况而定,一般在2～5 MPa。当每个钻孔达到终压值后稳定20 min,即认为完成此钻孔的注浆工作,平均单孔注浆量为0.6 t。

3.2 注浆效果评价

使用钻孔窥视仪窥视空巷内煤帮锚注前、后煤体变化情况。选择距锚注钻孔垂直和水平各1 m距离处打设窥视钻孔。窥视结果如图7、图8所示。

图7 未注浆煤帮窥视孔结果Fig.7 Peephole results of side before grouting

从图7、图8中可以看出,注浆前煤帮煤体裂隙较为发育。注浆后煤帮窥视孔内煤体整体性较好,注浆达到了增加煤体强度的效果。

3.3 巷道超前支护方案

图9为巷道超前支护剖面图。

图9 巷道超前支护剖面图Fig.9 Advanced support in roadways

空巷高度设计为4.0 m。2305综采放顶煤工作面采放比为2.8:1.6。为了保证支架有效接顶,在工作面煤壁前方35 m范围空巷内悬吊木垛棚,并在木垛棚下方打设单体柱对巷道进行加强支护。单体柱排距1.0 m,在工作面煤壁向外10 m范围内每排打设4根单体柱,10～20 m范围内每排打设3根单体柱,20～35 m范围内每排打设2根单体柱。

4 应用效果

在回采过程中,通过对空巷采取锚注加固措施,取得了良好的加固效果,工作面在空巷周边煤帮得到了有效控制,只在F64断层构造处出现了煤帮酥软、片帮影响生产情况,在此区域通过注入马丽散对煤帮进行加固,顺利通过断层。

5 结论

1)根据赵庄二号井2305工作面过同层走向空巷的实际情况,使用超前锚注加固技术对空巷巷帮进行加固,并对注浆参数及注浆流程进行了设计。

2)通过分析空巷内测点的观测数据,得出工作面超前支承压力对空巷影响区不小于60 m,明显影响区为13～40 m,剧烈影响区为0～13 m;根据观测结果,选择对巷帮的注浆时机为在巷道围岩受工作面超前支承压力影响明显时进行。

3)超前锚注有效增加了空巷巷帮煤体的强度和完整性,同时配合使用悬吊木垛棚及单体柱对空巷加强支护,经过实践检验,效果良好。