注浆充填在小煤窑采空区冒矸处理中的应用

刘 超

(汾西矿业集团 正帮煤业，山西 孝义 032300)

当矿井回采煤层地质条件复杂或者上覆有小煤窑采空区时，采掘作业面顶板破碎、冒顶、底板下滑等是制约煤炭安全开采的不利因素。现阶段破碎、垮落顶板常用的处理技术包括木垛法、注浆法、架棚法、锚固法以及硬过法等，其中注浆法具有处理效果好、效率高、安全性高等优势，在煤矿井下应用较为广泛。山西某矿12206工作面在回采时揭露小煤窑采空区，预计采面在小煤窑采空区内推进时会出现顶板矸石垮落问题，给采面回采安全带来严重威胁。为此，矿井提出使用注浆充填方式对采空区内垮落矸石进行处理。

1 工程概况

1.1 地质概况

12206工作面回采的2号煤层平均厚度4.5 m，在煤层下部夹杂有1～3层厚度0.1～0.28 m的粉砂岩矸石，煤层倾角平均13°。2号煤层上覆有厚度小于0.5 m的炭质泥岩，直接顶为灰黑色砂质泥岩、厚度4.5 m，基本顶为粉砂岩、厚度7.9 m；直接底为炭质泥岩，厚度2.9 m。根据临近工作面回采情况以及回采巷道揭露地质资料显示，采面开采范围内水文地质简单，仅在断层或者顶板裂隙发育位置有少量淋水，淋水量一般在1.5 m3/h以内。

1.2 生产概况

巷道掘进以及物探探测成果大致判定的小煤窑采空区分布位置如图1所示。小煤窑回采工作面回采高度在2.0 m、宽度在10 m，物探初步圈定的小煤窑采空区面积约为4 800 m2。在小煤窑回采区内留有2.5 m厚的底煤以及大量护巷煤柱，煤炭综合采收率仅为30%.若不对小煤窑采空区进行复采，会造成大量煤炭资源的浪费；若复采则存在顶板垮落严重的问题，对采面回采造成安全威胁。

图1 小煤窑采空区分布位置示意

2 综合治理技术方案

在12206工作面回采范围内存在小煤窑采空区，采用物探确定的采空区范围精度较低，同时采空区面积较大，顶板垮落区域相互沟通，提高采空区垮落岩石稳定性不仅有利于采面回采，而且便于顶板管理。注浆是提高破碎岩体稳定性常用技术方法，为此，采用注浆技术方法对垮落区破碎岩体进行加固，以解决采面回采期间顶板垮落问题。

2.1 注浆材料确定

煤矿井下常用的注浆材料有化学类(有机类)、水泥类(无机类)两种。化学类浆液有便于注浆、浆液渗透性好等优点，但存在普遍有毒、成本高以及污染环境等缺点，注浆胶结后岩体强度也较低。水泥类可具体细分为水泥单液浆、高水速凝材料以及水泥-水玻璃双液浆。水泥单液浆在现场应用时存在可注性差，结石率低，沁水、凝结时间长以及注浆控制难度高等问题；水泥-水玻璃双液浆虽然结石率较高，但是固结后的岩体在水影响下强度会明显降低，虽然小煤窑采空区淋水量较低，但是也会对加固效果产生显著影响；高水速凝材料具有胶结时间易调节、可注性好、水灰比高、胶结不沁水以及100%结石等优点，同时材料具有一定的“亲水”特性，即胶结后岩体在水作用下强度会有所增强。通过综合比对，决定在12206工作面过小煤窑采空区中采用高水速凝材料对破碎矸石进行加固。在注浆加固时，将材料水灰比确定为2.5∶1，并依据现场实际情况进行适当调整，从而满足浆液流动、凝结等的需要。

2.2 注浆参数

2.2.1 注浆时间

注浆时间与注浆岩体内裂隙发育情况、注浆量以及浆液在裂隙中的扩展速度等有关。由于注浆区域位于采空区，因此注浆时间不能以传统的“注浆浆液充满围岩裂隙”为判定依据，而是应根据现场情况将“采空区破碎岩体是否有效胶结”作为判定指标。在注浆时注浆时间依据注浆压力、注浆量等参数综合确定。

2.2.2 注浆压力

注浆加固区域内采空区，采空区破碎岩体性质决定注浆压力不应过大。采空区内垮落矸石间空隙较大，浆液充填阻力相对较小，注浆时注浆阻力主要由注浆管路引起。根据以往注浆经验以及相关研究成果，将注浆压力确定为0.5 MPa。

2.2.3 注浆量

由于小煤窑采空区面积相对较大，在注浆过程中确定注浆量较为困难。在具体注浆时注浆浆液液面以超过底煤顶板2.0 m为宜。因此，在实际操作时应依据邻近钻孔跑浆情况以及注浆量来确定钻孔单孔注浆量。

2.2.4 注浆浆液扩散半径

注浆浆液扩散半径与注浆孔孔深、位置、注浆浆液、裂隙扩展情况以及注浆压力等相关。在12206工作面注浆时由于浆液在采空区范围大，注浆半径对注浆效果影响有限，同时注浆浆液在采空区垮落矸石间流动、注浆半径确定较为困难。依据12206工作面前方采空区垮落矸石破碎情况，初步确定浆液扩散半径为3.0 m。

2.2.5 注浆孔布置

注浆孔布置会直接影响注浆效果。在采面内布置注浆孔虽然注浆针对性更强，但是存在注浆影响采面正常回采，钻孔施工困难以及漏浆、跑浆严重等问题。在回采巷道内注浆时，不仅可实现超前注浆，而且在煤层倾角影响下浆液下行，更容易胶结采空区下部垮落的矸石。因此，决定在采面回风巷内布置注浆孔对小煤窑采空区进行注浆加固。在回风巷内布置的注浆孔有浅孔、深孔两种，浅孔注浆长度为5.0 m、间距3.0 m，开孔位置距离回风巷顶板0.8 m；深孔长度以钻孔钻进至采空区为准，间距为10.0 m，开孔距离回风巷顶板1.2 m。具体注浆孔布置如图2所示。

图2 注浆孔布置示意

3 注浆加固效果分析

在采面初采时即开始在回风巷布置注浆孔对采面小煤窑采空区进行注浆加固，具体注浆加固时间为2020年5月至2020年8月。注浆采用型号2ZBSB8～1.1/6-22注浆泵，注浆压力为0.5 MPa。注浆结束后采面与注浆加固点间距仍有200 m，注浆工作不会影响采面正常生产。根据小煤窑采空区面积以及注浆量，确定注浆加固面积约为4 850 m2。加固完成后，从采面回采至加固区域揭露的采空区垮落矸石情况可以看出，垮落矸石稳定性得以显著提升。

在采面回采巷内通过注浆加固后，采面过采空区垮落区时架间漏矸、煤壁片帮问题基本消失，顶板垮落问题得以有效解决。采煤机开机率有效提升，基本不会出现因垮落矸石占用采煤时间的情况，为采面顺利推进创造了良好条件，采煤机仍能保持3.2 m/d的推进速度。超前注浆加固后，采面基本不需要架设木垛接顶或者架设单体支柱对顶板进行支护，显著降低了作业人员的劳动强度。

4 结 语

1) 12206回采工作面内有小煤窑采空区，同时采空区垮落矸石下方有厚度2.5 m的煤层。采面在回采过程中由于煤层上覆为垮落矸石，若不处理直接回采极容易出现架间漏矸、顶板垮落以及煤壁片帮等问题。

2) 提出采用注浆方式加固采空区垮落矸石，并依据开采的2号煤层赋存情况对注浆加固材料以及加固参数进行布置，具体为：在12206回风巷内布置浅、深钻孔对垮落区进行加固，注浆浆液选用高水速凝材料，浅孔深度5.0 m、间距3.0 m，深孔深度以钻进至采空区为准，间距10.0 m。

3) 现场应用后，小煤窑采空区下部垮落矸石基本被胶结，采面过采空区期间未出现顶板垮落、煤壁片帮等问题，回采速度保持在3.2 m/d，取得了较为显著的应用成果。