巷道过富水采空区安全掘进技术研究_李宏胜.pdf

212023 年第 5 期李宏胜：巷道过富水采空区安全掘进技术研究李宏胜：巷道过富水采空区安全掘进技术研究巷道过富水采空区安全掘进技术研究李宏胜（晋能控股煤业集团赵庄煤业，山西 长治 046600）摘 要 针对巷道过富水采空区存在的安全隐患，设计了在掘进前预注、掘进后采空侧封堵和回采侧顶板加固、超前压力区补注，采用高强注浆材料和高水充填材料的四步法注浆封堵方案，满足了不同区域的加固需求。效果考察表明：富水采空区涌水得到有效治理，巷道掘进、使用和工作面回采期间，未发生涌水、瓦斯超限、片帮冒顶等事故。关键词 掘进；采空区；注浆；封堵中图分类号 TD353 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.007Research on Safe Excavation Technology of the Roadway Passing through the Rich Water GoafLi Hongsheng(Jinneng Holding Coal Industry Group Zhaozhuang Coal Industry,Shanxi Changzhi 046600)Abstract:Aiming at the safety hazards of the roadway passing through the rich water goaf,a four step grouting and plugging scheme with high strength grouting materials and high water filling materials is designed to meet the reinforcement needs of different areas,which includes pre-injection before excavation,plugging on the goaf side after excavation,reinforcement of the roof on the mining side,and supplementary injection in the advanced pressure zone.The effect evaluation shows that the water inrush in the rich water goaf is effectively controlled,and there are no accidents such as water inrush,gas exceeding the limit,and spalling and roof falling during roadway excavation,use,and mining of the working face.Key words:driving;goaf;grouting;plugging收稿日期 2022-10-24作者简介 李宏胜（1986），男，吉林省吉林人，2010 年毕业于太原理工大学测绘工程专业，本科，助理工程师，现在晋能控股煤业集团赵庄煤业地质测量部任技术员职务，主要负责煤矿防治水、井上下测量等工作。李宏胜：巷道过富水采空区安全掘进技术研究李宏胜：巷道过富水采空区安全掘进技术研究晋能控股煤业集团圣华煤业因采掘部署不合理等原因，新布置的工作面需要通过原采空区部分区域，采空区存在积水、瓦斯、顶板问题，给掘进和回采带来安全隐患1-2。以 2308 工作面为研究对象，研究巷道过富水采空区安全掘进技术。1 工程背景圣华煤业开采 3#煤层，煤层平均厚度 4.8 m，采用综采放顶煤机械化采煤法，采高 2.8 m，放煤高度 2 m。2308 工作面位于二盘区，设计走向可采长度 850 m，倾向长度 140 m，布置进风巷和回风巷两条顺槽。目前在回采准备当中，正掘进两条顺槽。为减少资源损失，进风顺槽掘进过程中，需要通过原一盘区 1302 工作面采空区局部区域，该区域划入 2308 工作面回采范围，位置关系如图 1。2308 工作面进风顺槽设计长度 950 m，在掘进到 650 m 位置时，施工探测孔发现出水量较大，10日内出水量约 4000 m3，且伴随有持续的瓦斯浓度超标现象。进一步探测前方 16 m 将进入原 1302 工作面采空区，预计巷道穿采空区长度 20 m。图 1 巷道穿采空区示意图（m）1302 采空区积水为主要涌水来源，与 2308 工作面交叉影响区域的主要危害如下：1）掘进头积水。2308 工作面一侧层位较低，222023 年第 5 期1302 工作面采空区积水持续向进风巷涌出，观察15 d 未发现涌水减小趋势，目前排水泵抽水能力不足，底板积水 0.5 m 左右，影响正常掘进作业。2）掘进期间顶板安全隐患。掘进迎头过采空区，帮部和顶板十分破碎疏松，片帮冒顶风险加剧，掘进扰动也有导致裂隙扩展、水患增大的风险。3）回采期间顶板安全隐患。2308 工作面回采期间，机头区域数个支架要通过 1302 采空区破碎区域，极容易发生片帮冒顶事故。2 影响区域注浆封堵方案2.1 四步法注浆封堵方案第一步：预注加固、保障掘进。在迎头实施预注浆钻孔，覆盖冒落区，保证掘进期间顶板安全，暂时封堵淋水。第二步：掘进后采空区侧注浆封堵。通过交叉影响区域后，对采空区侧帮部和顶部实施大量钻孔，对出水区域进行彻底封堵。第三步：掘进后回采侧破碎区注浆加固。通过交叉影响区域后，在回采侧施工注浆钻孔，对煤体和顶板进行加固，解决回采期间顶板安全问题。第四步：超前支承压力区采空侧复注。工作面回采期间，当交叉影响区域进入超前支承压力区后，巷帮裂隙再次产生，对采空侧复注封堵。四步法注浆封堵方案示意图如图 2。图 2 四步法注浆封堵方案示意图（m）2.2 注浆钻孔参数设计巷道断面为拱形，宽 4.8 m，高 3.1 m。1）预注加固钻孔布置 6 个注浆孔，2 个检验孔，共 8 个钻孔。其中 1#、3#、5#为顶板仰角钻孔，开孔高度距离底板 1.5 m，终孔位置在巷道顶板上方 3 m 位置；2#、4#、6#为帮部钻孔，开孔高度距离顶板 0.7 m，终孔位置在煤体中部；7#和 8#为检验孔，水平布置，孔径均 75 mm。其中 1#和 2#钻孔沿巷道中心线，3#和 4#钻孔向采空区侧偏转，5#和 6#钻孔向回采侧偏转。钻孔布置如图 3，各钻孔具体参数见表 1。图 3 预注浆钻孔布置示意图（m）表 1 预注浆钻孔布置参数表钻孔编号深度/m仰角/（）偏角/（）1#393002#34003#393024#34025#393026#34027#34008#34002）掘进后采空侧注浆封堵钻孔实施范围：在交叉影响区，掘进进度651681 m，共 30 m 范围。钻孔布置：考虑堵水和防漏风需要，布置密集钻孔，对采空区侧进行重点加固。布置上中下三排钻孔，矩形布置，排距2 m。上排钻孔距离顶板0.7 m，仰角 36，孔深 5 m；中排孔距离底板 2 m，仰角14，孔深 8 m；下排孔距离底板 1 m，仰角 0，孔深 8 m。为提高浆液扩散效果，钻孔孔径均设计为 75 mm。共布置 16 排钻孔。如图 4。232023 年第 5 期李宏胜：巷道过富水采空区安全掘进技术研究李宏胜：巷道过富水采空区安全掘进技术研究 图 4 掘进后采空侧注浆封堵钻孔示意图（m）3）掘进后回采侧注浆封堵钻孔实施范围：在交叉影响区，掘进进度656676 m，共 20 m 范围。钻孔布置：布置上下两排钻孔，矩形布置，排距3 m。上排孔距离底板2 m，仰角14，孔深12 m；下排孔距离底板 1 m，仰角 0，孔深 12 m。考虑提高浆液扩散效果，钻孔孔径均设计为 75 mm。共布置 7 排钻孔。4）超前支承压力区采空侧复注钻孔实施范围：在交叉影响区，掘进进度651681 m，共 30 m 范围。钻孔布置：与掘进后采空侧注浆封堵钻孔布置方式一致，排距增大到 4 m，与原钻孔交错布置。3 注浆封堵加固材料及使用根据注浆目的，现场需要两种注浆材料：一种具备速凝早强、强度较高的特点，注入后与煤岩体紧密结合，提高围岩强度；另一种需要具备速凝早强、成本较低的特点，防止在存在大量裂隙的采空区内扩散过远、损失过多，造成严重浪费。3.1 高强注浆材料高强注浆材料全部为无机组分，固态粉末状，25 kg 防潮包装，分为 A 料和 B 料。主要性能特征如下：1）不自燃、无毒、无腐蚀、无污染特性；2）使用水灰比 0.8:11:1，A 料 B 料分别加水搅拌制浆，单浆 1 h 内不沉淀、不凝固；3）混合浆不沉淀、不泌水，混合后在 13 min失去流动性，815 min 完全固结，2 h 即具备 10 MPa 以上强度。材料不同水灰比条件下性能参数见表 2。表 2 高强注浆材料性能参数表水灰比流动时间/min固结时间/min不同龄期强度/MPa2 h1 d3 d7 d0.8:11381510.812.814.717.51:1151020810.911.512.73.2 高水充填材料高水充填材料性能主要表现为速凝、早强、材料消耗量小等特性，主要性能特征如下：1）充填固结体含水率高，大幅减少材料用量，使用时可根据不同强度需要选用不同的水灰比。2）泵送性能好。A、B 两种材料的浆液混合前24 h 以内不凝固、不沉淀，泵送距离可达 12 km。3）材料运输量小。单立方空间材料消耗仅为250400 kg，井下材料运输工作量较小。材料不同水灰比条件下性能参数见表 3。表 3 高水充填材料性能参数表水灰比流动时间/min固结时间/min不同龄期强度/MPa2 h1 d3 d7 d2:151020602.644.254.475.343:152025601.251.382.123.284:153030600.651.221.792.123.3 材料使用选择高强注浆材料：用于所有钻孔封孔、预注浆加固钻孔、掘进后回采侧注浆加固、超前支承压力区采空侧复注的注浆。设计水灰比 0.8:1，漏浆严重时可以适当减小至 0.6:1，加快凝固速度，不漏浆时可以适当增大至 1:1，提高扩散效果。高水充填材料：主要用于掘进后采空区侧注浆封堵，需要消耗大量的材料，在注浆过程中需要控制浆液粘稠度和注浆压力，使浆液在钻孔附近区域扩散。初始水灰比设计为 2:1，加快凝固速度，涌水减轻或消失后增大水灰比至 3:14:1，提高浆液流动效果，保障裂隙得到充分填充封堵。4 实施情况及效果考察1）工程量掘进现场共施工 8 个预注浆钻孔，注浆量 52 t；施工 48 个掘进后采空侧注浆封堵钻孔，注浆量 162 t；施工 14 个掘进后回采侧注浆封堵钻孔，注浆量24 t；工作面回采期间，施工 24 个采空区侧补注钻（下转第 27 页）272023 年第 5 期冯俊超等：强冲风险宽煤柱临空巷道采动扰动下巷道保全方案冯俊超等：强冲风险宽煤柱临空巷道采动扰动下巷道保全方案 图 5 微震传感器布置示意图4 阶段性分析及结论截至 2022 年 3 月 31 日，401102 工作面已累计回采 530 m，在此期间 401102 工作面运输巷累计施工断顶卸压爆破钻孔 90 个，在 401103 工作面回风巷累计施工断顶卸压爆破钻孔 69 个，断顶卸压爆破一直保持超前工作面 350 m 以上；“强顶固帮”补强支护累计施工锚索 828 根；注浆加固工程尚未组织施工，后期根据巷道围岩变化情况确定实施。采取以上阶段性措施后，401103 工作面回风巷微震监测事件分布、401102 工作面运输巷锚索应力监测及 401103 工作面回风巷顶板离层监测如图 6。（a）401103 工作面回风巷微震监测事件布置示意图（b）401102 工作面运输巷锚索应力监测情况（c）401103 工作面回风巷顶板离层监测情况图 6 研究对象围岩综合监测数据分析图通过分析以上各类监测数据，结论如下：1）401103回顺巷道未出现104 J以上能量事件；2）401102 工作面运输巷煤柱侧锚索应力变化整体较为稳定，未出现高危预警值事件；3）401103 工作面回风巷巷道围岩未出现超过150 mm以上收敛变形，整体收敛变形在20 mm以内。以上结果充分验证了在采取顶板爆破断顶卸压及强化支护措施后，401103 工作面回风巷保全效果明显。孔，注浆量 6 t。总计注浆量 244 t，根据浆液量测算，充填空间约 568 m3。2）实施效果第一步预注浆加固后，涌水量明显减小，变为局部淋水和滴水，进风巷安全掘进通过交叉影响区；第二步和第三步注浆实施后，淋水和滴水彻底消失，在巷道使用期间未出现明显的出水现象，工作面安全通过交叉影响区域，未出现涌水、瓦斯超限、片帮冒顶情况。5 结论1）工作面掘进回采过富水采空区，存在大量涌水、瓦斯泄漏、片帮冒顶等安全风险，根据工程特性设计了四步法注浆封堵加固方案。2）根据不同区域的注浆目的，设计了两种注浆封堵材料：一种具备速凝早强、强度较高的特点，注入后与煤岩体紧密结合，提高围岩强度；另一种具备速凝早强、成本较低的特点，防止在存在大量裂隙的采空区内扩散过远、损失过多，造成严重浪费。3）现场实施效果表明，采用四步法注浆封堵加固方案，富水采空区涌水得到根本治理，进风巷安全通过交叉影响区域。在进风巷后期使用和工作面回采期间，未发生涌水、瓦斯超限、片帮冒顶等问题。【参考文献】1 温成亮.巷道过采空区超前预注浆及围岩控制技术 J.煤，2022，31（04）：71-73.2 刘真.掘进巷道快速过采空区的围岩控制技术研究 J.山东煤炭科技，2020（02）：17-19.（上接第 23 页）