山西华晋韩咀煤业有限责任公司 山西临汾 041000
摘要：随着煤矿开采的发展，煤矿开采逐渐向深部转移，中倾斜矿乃至急倾斜矿。因其复杂的应力环境、特殊的围岩结构以及破坏模式的不同，当煤层经过断层时，煤层破碎程度高，加固难度大，往往难以取得良好的效果，需要采用注浆、锚注、柔性支护等非常规手段。注浆支护可以从根本上改善煤层的物理特性，提升其强度。柔性支护则可以充分发挥煤层自身强度提升围岩塑性变形能力，防止发生突发性破裂。注浆与柔性支护的结合将大幅度提高煤层的强度，降低围岩的脆性破坏，能够取得良好的支护效果。本文对急倾斜煤矿的加固具有一定的生产指导意义，也为以后国内处理类似问题提供了经验。
关键词：急倾斜煤层；注浆支护；柔性支护；塑性变形能力
1引言
随着我国工业的发展，对煤炭资源的需求日益增多，煤炭开采逐步向深部发展。急倾斜煤矿因其埋深较深，导致其处于复杂的应力环境下，其特殊的围岩结构以及破坏机理，使其加固困难。有学者采用传统的额浅孔注浆支护的方式，但工程量大，注浆成本较高；有学者采用锚杆支护的方式，存在支护强度低，支护距离不足的问题。而深孔柔性注浆加固的方式，一方面可以大大减小工程量，提高注浆效率。另一方面，柔性支护使用的棕绳可充分发挥煤层自身强度，提升围岩塑性变形能力，减少脆性破坏，防止煤块脱落造成安全问题，亦可减少浆液使用量，降低注浆成本。
2工程概况
中煤华晋公司韩咀煤业隶属于陕西省河津市，位于乡宁县西坡镇西夹沟。矿区矿体埋深400米，煤层倾角平均25°，属于中倾斜矿体，煤层厚度6m，属于厚煤层。采煤方法使用的是长壁后退式综采放顶采煤法，顶板垮落处理。32111综放工作面为挠曲结构，西北走向，五条断层发育，断层附近，地应力较大，整体破碎，顶底板整体性和坚固性均很差，难以管理。煤层顶板主要为胶结性能较好的细粒砂岩、泥岩。底板则条件较差，为块状的，脆性较大的泥岩和砂岩。遇水泥化但隔水性能较好，容易发生底鼓现象。
3支护方法的选择及参数设计
（1）支护方法的选择
矿区埋深较深，应力复杂，32111综放工作面含有五个发育的正断层，顶底板强度低且破碎程度较大，为了提高工程安全性，必须进行支护，初步设计三种支护方案：
1）浅孔注浆支护
2）锚杆支护
3）深孔注浆联合棕绳柔性支护
相比于棕绳加注浆支护，常见的锚杆支护和注浆支护，其支护强度低，且注浆支护成本相对较高，工艺复杂。棕绳加注浆柔性支护因为棕绳与浆料的配合和，将大量减少充填料浆的投入，降低支护成本，同时，作为柔性支护方式，棕绳韧性大，抗拉强度高，且具有柔性，即使煤壁回采过程发生破碎，也可使悬挂大块煤块，保证巷道内人员的安全。且棕绳相比一般锚杆，具有易切割的特点，不影响回采工作。综合各种因素，最终选择棕绳加注浆为支护方式。
（2）参数设计
32111主运巷及辅运巷顶板破碎、垮落严重，其中，停采线附近20 m范围内破碎严重，非停采线范围的巷道工作面一侧煤壁及顶板较为破碎。且矿体为中倾斜至急倾斜矿体，为了提高总体支护效果，采用深孔注浆配合棕绳柔性支护的支护方式。为此针对主、辅运巷的注浆加固总体方案为：停采线附近20 m范围内采用全断面加固；非停采线范围的巷道以工作面一侧煤壁加固为主，并在靠近工作面一侧辅助以顶角注浆加固，如图1所示。
图1 综放工作面及顺槽示意图
超前回采工作面20~30 m布置注浆施工作业地点，可在32111主运巷和辅运巷分别安排1个施工队进行平行作业。钻孔沿巷道走向分区布置，主运巷I区钻孔布置在巷道底板上方2.0 m位置处，间距为5.0 m；辅运巷I区钻孔布置在巷道底板上方1.5 m位置处，间距为5.0 m；待完成I区钻孔一个循环（25.0 m）注浆后，在辅运巷道底板上方0.6 m布置II区钻孔，在主运巷道底板上方1.5 m布置II区钻孔，孔间距为5.0m，其中，主运巷孔深均为30.0 m，辅运巷孔深均为25.0 m。
主运巷中，I区钻孔孔底位于煤层顶板沿钻孔方向向顶板岩体延长1 m的位置，II区钻孔孔底位于采高线上方1 m处；辅运巷中，I区钻孔孔底位于顶煤与煤层顶板界面下方0.5 m处，II区钻孔孔底位于采高线处。
首先是孔口管与注浆阀门的安装。采用高低压注浆方式，封孔10m，封孔采用φ108 mm钻头钻孔，孔深10.0 m，安装直径为φ89 mm，，并全长注浆封孔，孔口管外露长度为200~300 mm。孔口管外接φ89 mm变φ32 长度为3.0 m孔口管28 mm变径管和φ32 mm阀门后，封住孔口管与钻孔孔口间隙后，采用注浆方式对孔口管进行封孔和固定。
然后采用由外向内的循环式钻孔与注浆方式：为了减小二次注浆孔径，此处使用半圆形环管作为注浆管，配合柔性棕绳进行注浆，采用φ75 mm钻头沿孔口管进行钻孔和扫孔，主运巷扫孔深度30 m，辅运巷扫孔深度25 m。完成钻孔施工后，及时进行注浆作业。
（a）优化前圆形注浆管 （b）优化后环形注浆管
图2 注浆管配合棕绳示意图
此外，为保证顶板煤岩体注浆效果，在I区和II区注浆孔中间位置布置10.0 m复注注浆孔，孔径为φ45 mm，间排距为1000 mm×5000 mm，均采用环形注浆管加棕绳进行注浆，孔底位于煤层顶板上方沿钻孔方向向顶板岩体延长1 m的位置。
首先进行10 m注浆孔的钻孔注浆施工，此后，完成每一循环I、II区钻孔施工后，及时进行注浆作业，完成I区钻孔一个循环（25.0 m）注浆后，再进行II区钻孔施工与注浆。
I、II区中深孔注浆压力控制在10~12 MPa, 10.0 m注浆孔注浆压力控制在5~8 MPa。
4注浆材料和施工工艺
（1）注浆材料
注浆封孔时建议采用单液水泥，并添加水玻璃。水泥使用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比控制在0.6~0.8左右，水玻璃的掺量为水泥用量的3~5 %。
注浆浆液超细水泥矿粉水玻璃混合材料矿粉添加量控制为 30%，水玻璃的添加量为 10%，此时形成的结实体不仅具有一定的弹性特征，便于实现煤体结实体柔性材料的协调变形性，而且混合材料的成本约为 5000/t。
注浆过程配合的柔性棕绳为直径40mm的剑麻白棕绳，复注浆配合直径为24mm的剑麻白棕绳，其具有较强的抗拉能力、耐酸碱腐蚀能力和耐摩擦等优质特点。
（2）施工工艺
1）施工前，清理施工面，保证工作面的安全性。
2）按照钻孔设计，按规定打预先设计的一定长度、孔径、角度的钻孔，二次注浆时要进行扫孔。
3）将柔性棕绳和环形注浆管固定好后一同置于孔底
4）封孔注浆。
5结语
以32111综放工作面停采线巷道的破坏情况以及矿体及顶底板的围岩特性，使用深孔高低压注浆与棕绳联合的柔性支护，利用中深孔注浆，改变了煤层的物理特性，将大幅度提高煤层的强度，降低围岩的脆性破坏，中深孔大孔径加大了一次注浆的加固范围，减小了工程周期和工程量；注浆支护配合棕绳所构成的柔性支护，发挥煤层自身强度提升围岩塑性变形能力，防止发生突发性破裂，棕绳耐磨和抗拉强度大的特点，悬吊大块煤岩体，减少了大块片落，提高了工作面以及巷道的安全，棕绳易切割的特点，也更方便采煤工作的进行；棕绳的使用，减少了料浆的投入，减少了支护成本，提升了经济效益。
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论文作者:张继伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/16
标签：注浆论文; 棕绳论文; 煤层论文; 钻孔论文; 柔性论文; 工作面论文; 巷道论文; 《基层建设》2019年第25期论文;