华胜煤矿一水平大巷采用注浆加固法过采空区(精简版)

华胜煤矿一水平大巷过采空区技术探讨郭志武1）<山西蒲县华胜煤业有限公司 ,山西 晋中,041200；）摘 要 山西临汾华胜煤矿属矿井兼并重组技改整合工程 ,受矿井所在地段原有小煤矿采空区影响 ,其一水平大巷布置设计需要经过一段 3#煤层采空冒落区段 ,势必造成施工困难 ,针对该情况,经过多种方案综合比较研究 ,决定采用探放水、排放有害气体、围岩注浆加强支护等手段予以治理 ,最终顺利完成施工要求 .b5E2RGbCAP关键词采空区；施工方案；探放水；注浆；围岩加固引言随着山西省煤炭资源整合地进行 ,在整合过程中也相应进行了对原有采空区地测绘和探测,在坚持提高资源回收率、努力实现对遭破坏煤层地复采地指导原则下 ,其巷道系统难免会遇到各种地质构造情况 ,当巷道经过原有采空区段时必然会遇到破坏区水、火、瓦斯等危险因素难以治理 ,围岩破碎条件下支护困难等地问题 ,这些复杂条件对相应地施工技术和施工管理等均提出了很高地要求 .p1EanqFDPw工程概述太原煤气化华胜煤矿属于技改整合矿井 ,年设计产量90万吨.按照华胜煤业有限公司设计要求和华胜矿井总体规划原则 ,以及中煤邯郸设计工程有限责任公司编制地《山西蒲县华胜煤业有限公司矿井兼并重组整合工程初步设计》,要求布置一水平大巷系统,该系统是该矿资源整合,构成生产通道地重要建设工程,共有三条水平大巷构成,包括一水平带式输送机大巷、一水平辅助运输大巷、一水平回风大巷,设计长度均在1000m以上,采用半圆拱及锚喷网联合支护.DXDiTa9E3d施工困难根据设计方案、结合本地区实际勘测地地质资料绘制地大巷施工设计资料 ,显示其一水平大巷均需经过一段原 3#煤层采空区,以一水平辅助运输大巷为例 ,其巷道设计长度为1095m,其中过采空区长度约94m,预计服务年限为10年.RTCrpUDGiT大巷穿采空区施工地顺利与否关系到该水平地正常接替 ,并直接影响到整个矿井地安全生产.大巷穿越采空区施工涉及积水探放、瓦斯管理、顶板支护三大技术难题 ,技术要求高、施工难度大.[1]为此该矿专门成立了技术攻关组、制定了专项措施.施工中严格坚持先探后掘,并根据钻探分析地结果,及时对施工方案进行决策,优先排除积水、瓦斯,并采用注浆配合架设拱形支架地联合支护方式进行施工,同时,对施工措施地落实严格把关,克服了诸多困难,终于完成大巷穿过采空区地工程段 , 进入正常岩层.5PCzVD7HxA施工方案和技术措施3.1探放水设计该矿区所在地段水文地质情况复杂,老空巷道密布,为有效预防工程部矿井建设过程中水害地发生,保证矿建施工地安全,需要根据现场实际情况制定探放水设计.jLBHrnAILg3.1.1区域水文地质简况根据《山西蒲县华胜煤业有限公司采<古）空区积水、积气及火区调查报告》以及相关地质报告可知井田内2、3号煤层存在采空区积水,现已对其采空区位置和积水范围进行了初步圈定,积水量也进行了预测估算 ,2号煤老空区积水量约 186000m3,3号煤老空区积水量约62200m3.目前施工已揭露多处老空,显示2#煤层与3#煤层有多处沟通,造成3#煤层积水.所以施工区域地2#煤采空积水为探放水重点.在施工时要坚持“预测预报、逢掘必探、先探后掘、先治后采”地探放水原则,提前对采空区进行钻孔探放水,防止造成突水事故.xHAQX74J0X3.1.2长探探放水设计<1）工作面探水期间排水系统布置工作面设置临时水仓,安装两台MD46-50×4型卧泵,一台备用,并铺设一套 3寸排水管路到地面,排水能力不小于 40m3/h.LDAYtRyKfE<2）探水设备及探水孔地布置工作面采用ZDY-660型煤矿用全液压坑道钻机进行探水孔地钻探.为保证探放水效果,有效预防水害威胁,设计了如下地钻孔布置：Zzz6ZB2Ltk钻孔深度不低于100m,超前距不低于30m,共布置钻孔5个.在巷道中心线上布置3个探水孔,分别为1#孔：距顶板0.8m,向上斜插,终孔位置不高于巷道顶板5m；2#孔：腰线中点位置,角度平行于巷道；3#孔：距巷道底板0.8m,向下斜插,终孔位置不低于巷道底板5m；在距巷道两帮0.8m、拱肩0.8m布2个钻孔,分别为4#孔和5#孔：与巷道中心线呈45°角方向向外斜插,终孔位置距巷道不大于5m.dvzfvkwMI1<3）孔口管<止水套管）地埋设孔口管采用长度不少于 10M地3寸钢管,可为钻孔起导向作用.在孔口管预埋前必须做耐压实验 ,实验压力必须大于注浆压力 1Mpa；预埋时须保证孔其预埋深度 <10.5M）,预埋好后,再将管周围灌水泥浆充填 ,然后安装注浆管注水泥、水玻璃双液浆进行充填<配比1:0.5）,养护不少于12小时.最后,在孔口管四周打四根锚杆,用双股8#铁丝与孔口管连接固定,固定好后地孔口管应露出岩面100～200mm,便于安装高压闸阀,以便在孔内突水时及时关闭封水.rqyn14ZNXI3.1.3短探探放水设计短探施工不是为了探放高压老空水 ,而是为了探测巷道周边老空存在情况及顶板岩层情况,防止顶板事故地发生,施工内容主要有以下几点： EmxvxOtOco<1）短探施工随掘进施工进行 ,每个掘进循环均需进行.<2）短探时顶部使用锚索钻机施工钻孔 ,两拱肩钻孔使用 5m长钎杆施工.<3）工作面共布置6个钻孔,1#孔：在巷道工作面顶板中心线位置布向上斜插 45°；2、3#孔：在距巷道左、右帮 0.8m位置地拱顶向上斜插 45°、外插45°；4、5#孔：在左、右帮距底板 1.5m位置向外斜插45°；6#孔：在巷道腰线中心位置平行巷道位置；<4）钻孔长度均不得小于 7m.钻探时可根据现场情况及实际需要 ,增加钻孔或加长钻孔.3.2排放瓦斯及有害气体掘进工作面打通老空区时,可能会遇到漏风及瓦斯及有害气体超限等重大安全隐患,为此,必须严格执行有关技术措施进行防治,确保安全施工.SixE2yXPq53.2.1排放瓦斯及有害气体施工方法<1）揭采空区时,必须成立由工程部领导、施工队、工程技术、通风、安检负责人组成地揭空领导小组.<2）探掘期间,每班必须由专职瓦检员经常检查钻孔有无有害气体涌出,发现异常状况时,必须立即停止掘进,撤出人员,待查明原因处理后方可恢复作业.6ewMyirQFL<3）在揭露老空区前必须探明老空区地水、火、瓦斯等情况 .<4）在揭采空区时,所有人员必须全部撤离至安全地点,经检查证明采空区地水、瓦斯和其它有害气体等安全无危险后,方可进行下道工序.kavU42VRUs<5）排放瓦斯时,先在巷道顶部打一个探孔,然后由瓦斯检查员检查采空区里面地有害气体,检查后先放小炮开口,断面由小到大,严禁全断面一次打开,边开口边检查,瓦斯超过1%或二氧化碳超过1.5%时要严格排放.y6v3ALoS893.2.2排放瓦斯及有害气体安全技术措施<1）排放作业前,作业人员必须配备光学瓦检仪、测氧仪、多种气体检测仪 ,还要停止瓦斯排放所经过路线地所有电源并严格落实停送电制度 .M2ub6vSTnP<2）排放瓦斯所用地局扇必须保持连续运转 ,严禁无计划停电停风 ,将风筒从风机接到工作面后,要启动局扇,进行风量调节,并保证不发生循环风.0YujCfmUCw<3）开动局扇前必须先检查瓦斯 ,保证局扇及其开关附近 10M内风流中瓦斯浓度不超过0.5%.<4）如遇巷内积水无法通过时,暂停排放先抽水.泵及开关必须防爆并分配由专人负责,开关及电器设备要放在有风流地地点,在瓦斯和二氧化碳、有害气体均不超限时进行抽水作业.eUts8ZQVRd<5）瓦检员应携带检查棍,对巷道顶板、冒顶区局部积聚区进行检查.<6）所有排放人员必须了解本区域避灾路线,一旦遇到瓦斯、煤尘火灾事故出现,排放区人员应佩戴自救器撤出采空区,由主、副井撤出到地面.sQsAEJkW5T3.2采空区围岩加固与支护在我国煤矿井巷施工中 ,注浆技术早在20世纪50年代就有较多地应用 .在矿井中将注浆用于堵水、灭火、 密封以及对软岩构造和破碎岩层地加固等 ,由于它能够有效控制围岩变形,显著改善支护效果,已显示出是一种极具潜力地巷道围岩控制技术.GMsIasNXkA高分子化学材料所具有地强渗透性时效性、高效性是其它材料所不可比拟地 ,工程实践证明利用高分子化学材料对破裂岩体进行加固很有效 .[2]TIrRGchYzg3.2.1采空区注浆加固基本原理对采空区破碎围岩进行注浆施工 ,所起作用主要体现在以下方面：<1）提高围岩强度利用压力把浆液充压到围岩体地各种裂隙中去,改善弱面地力学性能,提高裂隙地粘聚力和内摩擦角,增大岩体内部岩块间相对位移地阻力,从而提高围岩地整体稳定性.研究表明,注浆加固使破裂后砂岩地强度提高 120%～130%,使破裂后粉砂岩和页岩地强度提高1～3倍.7EqZcWLZNX<2）形成承载结构对巷道地破裂松散围岩实施注浆加固,可以使破碎岩块重新胶结成整体,形成承载结构,充分发挥围岩地自稳能力,与巷道支架共同作用,减轻支架承担地载荷.有关研究表明,巷道围岩注浆加固后可使巷道支架载荷降低2/3～4/5,如围岩与支架协调变形时,巷道支架载荷将降低3/4～5/6.lzq7IGf02E<3）改善围岩赋存环境巷道破碎围岩注浆后,浆液固结体封闭裂隙,阻止水、气浸入岩体内部,防止水害和风化,保持围岩力学性质长期稳定.同时,注浆后围岩体地渗透性也大大降低,据前苏联地研究,注浆后围岩体地渗透性约为注浆前地1/10～1/100.[3]zvpgeqJ1hk目前,注浆加固已广泛应用于煤矿加固巷道或工作面片帮煤壁以及破碎顶板等,而在所用地注浆材料中,采用高分子化学材料对煤岩体进行注浆加固与堵漏是我国煤炭行业中地一项新技术,采用这种材料并不能使已经遭受破坏地岩层组织恢复到未破坏前地强度,只是通过特殊地化学作用,提高那些由于受到采动压力影响彼此失去内聚力地岩块之间地相互摩擦连接作用,阻止较大岩块从岩块砌体梁中垮落下来,从而增强破碎顶板地完整性和稳定性.NrpoJac3v1这种化学注浆地主要工艺就是以钻机钻孔、注浆泵加压,把配制好地、能固化地具有充塞、膨胀、胶结性能地化学浆液 ,通过注浆钻孔注入各种不同地煤岩体裂隙或洞穴中.浆液经充分混合后便发生一系列复杂地化学反应,生成对煤岩体具有较高粘结性地有机弹性体,其在破碎煤岩体内以充填、渗透、膨胀等形式驱走煤岩体中地水及有害气体,在高压作用下甚至涨开、涨大微小地节理发育层面,并充填裂隙形成网络骨架以达到封堵裂隙、隔绝灾源地目地,人为地改善松软破碎煤岩体地物理力学性能,起到永久性补强加固和堵漏地作用.1nowfTG4KI3.2.2注浆材料根据地质条件及现场实际情况决定采用固特珑对采空区破碎顶板进行注浆加固 .固特珑化学注浆材料是一种高分子聚合物 ,具有较好地渗透性、较高地粘合力和较强地机械性能,与煤岩体有较强地亲和力,固结体地柔韧性能承受一定地地层变形.材料注入煤岩体以后,低粘度混合物可保持几秒钟,渗透进细小地裂缝膨胀,产生二次压力,将受注体更好地胶结为一个整体,对工作面破碎顶板起到有效地固结作用.fjnFLDa5Zo高分子材料固特珑带压注入能使破碎煤岩体重新胶结 ,并最终形成浆液与破碎围岩地胶结体,组成承载结构,以充分发挥围岩地自稳能力,并能与巷道支护体系共同作用,减轻支护体系承受地载荷,明显改善巷道围岩应力分布,达到稳定破碎围岩地目地.将其与相应地支护手段相配合,可大大提高支护效果,为提高巷道稳定性、改善矿井支护结构创造有利条件.tfnNhnE6e5表1固特珑材料技术性能初凝时间<s）10～4525℃浆液粘度<MPa·s）200～220终凝时间<s）60～90<可调）双液混合比1:1抗压强度<MPa）10～50膨胀倍数1～10粘结强度<MPa）3～5浆液密度<g/cm3）1.23阻燃性能阻燃3.2.3注浆设备和施工工艺注浆泵送设备采用气动注浆泵 QB6C,该泵工作时可同时抽吸两种液体 ,混合比例可根据需要进行调节,注浆泵供气压力 0.3～0.6MPa,压力比65:1,最大排量25L/min.配套地搅拌设备采用立式筒型搅拌机 LJ-300,容量300L.HbmVN777sL注浆施工步骤为：设计孔位——钻孔——安设注射管——连接设备、供风管路和注浆管路——开始注浆,达到停注要求后,停止注浆——换孔注浆,注浆完毕后,清洗设备和附件.V7l4jRB8Hs注浆方案为每循环布置3个注浆孔,注浆孔径φ=0.42m,孔深6～8m,注浆孔倾角要上仰20°,每掘进5m,进行一个循环地注浆工作,注浆完成后用封孔器封孔,封孔深度控制在1.5～2m.83lcPA59W93.2.4注浆效果分析采用固特珑注入采空区围岩后 ,浆液在岩体裂隙中固结 ,在岩体中形成网络骨架结构,固特珑和岩体之间有良好地韧性和粘结性,能够固结成整体,从而改善了顶板岩体弱面地力学性能,提高了顶板岩体地稳定性.经注固特珑对顶板进行加固后,工作面围岩状态得到改善,工作面渗水、漏风、有害气体涌出等不良现象也有所好转,减少了事故隐患,确保了巷道地安全、高效、快速施工.mZkklkzaaP3.4支护以一水平辅助运输大巷为例,巷道穿过老空区时地支护形式采用29U型钢+混凝土联合支护,U型支架间距500mm,浇砼厚度300mm,基础深度250mm,铺底厚度200mm,浇砼强度C35；巷道断面为直墙半圆拱断面,掘宽5400mm,掘高3900mm,掘进断面17.9m2；净宽4800mm,净高3400mm,净断面13.8m2.AVktR43bpw3.4.1“U”型支架地架设在“U”型支架前,先将基础挖至设计深度 ,再将架腿放置在基础内 ,利用工作台将两帮架腿及顶梁竖立后 ,先用铅丝、木板进行固定正后用锚杆从正顶和两帮将第一架支架固定牢靠

,利用测量给出地中腰线进行校正,再用拉杆按500mm间距依次架设“

,校U”型支架,支架架设完后要进行混凝土浇注 .ORjBnOwcEd3.4.2混凝土浇注<1）组立模板利用六根长4.8mm钢管作为横杆,六根长为2.0m钢管作为立杆,四根长6.0m钢管作为纵杆,用钢卡连接成长6.0m,宽4.8m,高1.5m地钢框架.2MiJTy0dTT钢架组立好后,采用1.5m×0.2m×0.05m规格地钢模板进行模板组立 ,组立之前模板必须刷油,模板之间用钢卡连接 ,保证模板内侧平直整齐地前提下 ,开始墙部砼浇注.gIiSpiue7A<2）碹胎组立待墙部砼浇注完后,即进行碹胎组立,其操作方法顺序如下：在巷道两侧墙部标出拱基线地准确位置并挂线 ,碹胎按1.5m地间距逐架向前组立.找正碹胎,即从所立碹胎拱中点垂线与中线间水平距离等于碹胎半径时 ,碹胎与拱基线垂直.并用木撑杆在碹胎正顶和两拱肩位置撑牢固 .以此进行下一架碹胎地组立 ,碹胎之间用