掘进巷道穿采空区技术

摘要：四川华蓥山龙滩煤矿+517m北翼回风巷掘进过程中涉及穿采空区，为解决采空区破碎围岩稳定性差，裂隙瓦斯与裂隙水等问题。采用“注浆加固+浅循环弱爆破强支护+厚砌碹封闭围岩”等措施，有效封闭了围岩裂隙，提高了围岩承载能力和整体稳定性，隔离了采空区积水，巷道变形得到有效控制，保证了巷道的安全快速掘进以及服务年限内的稳定。为同类别巷道掘进提供了较为具体和合理的工程实践依据。

关键词：采空区；顺层注浆；穿层注浆；加固；短掘短支

由于采空区内部为已垮落的顶板岩石，且采空区上部岩层在回采过程中会随着推进不断垮落，形成采空区残存煤区域；采空区冒落带，采空区裂隙带及完全下沉带，顶板巷道支护难度极大。本文以龙滩煤矿+517m北翼回风巷掘进穿采空区的工程为背景，提出安全有效的巷道围岩控制方法。

一、工程概况

龙滩煤矿+517m北翼回风巷由二叠系下统茅口组（P1m）灰岩穿过采空区（K1煤层）进入顶板龙潭组（P2l4）泥（灰）岩内掘进，巷道坡度+25°，长度286m。根据+517m北翼回风巷探煤孔资料，采空区留有底板煤厚0.8～1.0m，平均0.99m。预计煤层顶板垮落高度4.5～7.3m左右。煤层顶板岩性以砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩为主，厚9.55m～14.3m。钻孔采样测试砂质泥岩抗压强度21.10～60.23Mpa，平均46.06Mpa；内摩擦角39.09°；凝聚力11.85Mpa。煤层底板岩性为泥岩、砂质泥岩及铝质泥岩，厚2.85m～6.3m，通过钻孔采样测试，砂质泥岩抗压强度24.70～71.92 Mpa，平均41.16 Mpa，抗拉强度1.6～2.0Mpa，平均1.8 Mpa。根据+517北翼回风巷的探煤孔资料分析，采空区无积水。

二、方案设计

为保证+517m北翼回风巷能够安全快速的通过采空区，需对采空区的顶板围岩加以控制。揭露采空区前合适位置，施工一条采空区注浆巷，用于取芯、治灾、注浆。采用底板穿层固化注浆+顶板顺层长管棚注浆+碛头浅循环帷幕注浆+浅掘进弱爆破强支护+高强度厚混凝土发碹封闭采空区破碎带围岩的方式过采空区。注浆材料选用水泥浆、粉煤灰、速凝剂，注浆设备BW160/10X型注浆泵，扬程70m，注浆压力2.5MPa-10MPa，44-160L/min流量。

三、采空区帷幕注浆加固技术

（一）设计依据

1.采空区注浆控制长度范围

+517m北翼回风巷位于蔡山洞煤矿采空区下部，应根据煤层赋存条件、地质构造、静水压力、开采后上覆岩层移动倾角、导水裂隙带高度等因素确定，按《采矿设计手册》测算顺层煤层（采空区）注浆控制长度范围。

对采空区注浆长度控制范围按60m控制布置注浆钻孔，符合留设控制长度。

2.采空区注浆放水柱留设高度范围

+517m北翼回风巷涉及底板穿采空区，按《采矿设计手册》对底板放水岩柱留设计算要求测算，即

对采空区注浆高度控制范围按21m控制布置注浆钻孔，符合留设控制高度。

3.采空区注浆量

采空区空隙体积采用水泥加速凝剂混合浆液进行充填和固结，引用《采矿设计手册》采空区注浆填土量进行测算，注浆量可按以下公式测算：

Qt1=kmLHC

Qt1=2.6m×60m×25m×85%×0.2=663m3

4.设备注浆泵选择

引用《采矿设计手册》分别按单位耗水量或土水比确定，设备所需总程：Hj=hn+hy+he+hx+hp+hs=2409.35kpa=2.4Mpa

选用BW160/10X型注浆泵符合注浆施工要求，此泵注浆压力可调整为10Mpa，符合要求。

综上所述：采空区注浆长度控制范围按长60m，高度21m控制布置注浆钻孔；采空区注浆区域注浆量663m3；注浆设备选用BW160/10X型注浆泵。

（二）注浆技术参数

1.施工专用注浆巷：+517m北翼回风巷施工至距采空区法线距离10m后变平施工底板专用注浆巷，根据煤层赋存条件、地质构造、静水压力、开采后上覆岩层移动倾角、导水裂隙带高度等因素确定，按《采矿设计手册》测算顺层煤层（采空区）注浆控制长度范围为33.08m。计划对采空区注浆长度控制范围按60m布置注浆钻孔。结合+517m北翼回风巷坡度25°，计算底板注浆巷需施工长度为48m，因需安装绞车，故注浆巷设计长度为60m。

2.底板穿层注浆：底板穿层固化注浆在专用注浆巷内实施，注浆孔分三轮布置，注浆终孔按5.0m×5.0m间排距设计。第一轮注浆高度为12m，第二轮注浆高度为16m，第三轮注浆高度为21m，每轮孔均是上轮注浆施工检验孔；底板穿层注浆核心作用是固化过巷区段内破坏围岩，保障过巷段顶、帮围岩完整性。

3.顶板管棚顺层注浆：顶板管棚固化注浆在+517m北翼回风巷施钻硐室内实施，管棚沿+517m北翼回风巷走向布置，在+517m北翼回风巷巷道轮廓线外1.0m和1.5m各布置1圈管棚眼孔（第一、二层管棚孔交错布置），眼孔间距按1.0m布置，孔深45m，管棚材料使用φ50mm×3000mm钢管，管与管采用进行丝扣连接。顶板管棚固化注浆作用是加筋固化巷道顶板围岩，保障整个过巷顶板成为骨架混泥土砼体。采用钻机沿巷道掘进走向方向取芯，验证巷道掘进围岩赋存情况及注浆效果。

（三）注浆施工

1.成孔工艺

①钻孔定向：注浆孔按照设计要求采用经纬仪等工器具实地测量放样，钻孔实际位置原则上不应超过设计位置0.2m，因现场施钻条件影响，钻机不能按设计方位架设时，视具体情况进行调整。

②钻孔成型：采用4000型钻机，Φ94mm钻头开孔至采空区设计深度位置终孔，必须确认终孔位置在采空区底板以上位置。

③钻孔检验：钻孔终孔前测量一次孔斜（顶角、方位角），目的是确保钻孔成孔质量、方位满足设计和注浆要求，测斜采用钻孔测斜仪配合钻孔窥视仪，其中窥视仪要分别做好注浆前、后的效果比对和钻探原始记录。

④钻孔埋管：钻孔采用Φ94mm钻头开孔至设计终孔位置，对孔口6.0m预埋φ50mm钢管，再灌入水灰比为1∶1.5-1∶1.2的稠水泥浆（加3%速凝剂），浇铸长度为4.0-5.0m，浇铸质量为注浆过程中不会从孔口管外溢出浆液，并在φ50mm钢管子前端20～30cm处焊接一圆形法兰托盘（选用PN0.6等级）便于注浆施工。

2.注浆材料

采空区固化注浆采用水泥浆为主，当采空区出现空洞则采用粉煤灰+水泥浆为辅。水泥浆按C30标准配比，其中水、水泥、速凝剂配合比按0.38：1.0：0.2～1进行配置，速凝剂初凝控制时间为3min，终凝控制时间为10min；粉煤灰+水泥浆混合液中水、水泥、速凝剂、粉煤灰配合比按1：1.0：0.2：0.5～1：1.2：0.5：0.5进行配置。

3.材料配制

①浆液拌制过程：水泥（或粉煤灰）、速凝剂→搅拌桶→注浆泵→钻孔。

②注浆液选择：一是底板穿层孔、顶板管棚注浆及碛头浅循环管棚帷幕注浆均采用水泥浆固化，确保注浆区域无空洞，浆液粘结无缝，抗压强度大于20MPa；二是底板注浆巷施工过程中出现采空区空洞，则采用粉煤灰+水泥浆混合液注浆。

③注浆外延控制范围：每区段注浆均由南向北施工，每区段间隔时间差不得小于1天。第一区间外延控制在采空区底上2m围岩范围内注浆固化；第二区间外延控制在第一区间固化底板上3m围岩范围上注浆固化；第三区间外延控制在第二区间固化底板上5m围岩范围上注浆固化。

④注浆压力控制范围：BW160/10X型注浆设备为卧式三缸单作用往复活塞泵，压力及流量设置4个挡。一是底板穿层注浆第一、二区间注浆调整为挡位3实施，第三区间注浆调整为档位4实施；二是顶板管棚注浆调整为档位4实施；三是碛头浅循环管棚帷幕注浆调整为档位1实施。

4.注浆孔验证

底板穿层注浆涉及3轮注浆施工，每轮注浆施工前必须施工注浆检验孔。注浆检验孔终孔位置高于注浆钻终孔4.0m，注浆施工由北向南施工，检验孔按每5m为一单元布置检验孔，注浆作业期间出现检验孔反浆时，施工人员必须停止注浆，核实注浆效果，随进入下一单元注浆或验证作业。

（四）注浆效果分析

在+517m北翼回风巷过采空区期间采用底板穿层注浆+顶板管棚顺层注浆方式对采空区破碎岩体进行加固， 注浆浆液在采空区破碎岩体扩展后形成网络结构体， 从而使得原本松散、破碎的煤岩体胶结成为强度较高和稳定性相对较好的整体，同时巷道掘进后围岩受力更趋平稳。巷道在采空区内掘进时，碛头未出现漏顶、冒顶或片帮等情况。

四、巷道穿采空区支护技术

1.碛头浅循环管棚帷幕注浆临时支护

碛头浅循环管棚注浆每掘3.2m施工一轮，一轮布置2圈管棚眼孔（第一、二层孔交错布置，两层孔间距0.5米），管棚按倾角37°布置，管棚长度6.0m。

2.短掘短支穿采空区

正式掘进期间采用“浅循环、弱爆破、强支护”方式推进，单循环进度控制在0.8-1.0m，每循环施工炮眼个数不少于90个，周边眼间距250mm，隔眼装药，每眼装药一节进行爆破。采用锚网索+喷浆+29U型钢支架联合支护，架料间距0.8m，架料顶梁和棚腿分别采用拉杆固定形成整体，采用水泥背板配合钢筋网将顶帮紧贴严实，确保顶板支护可靠。

3.发碹封闭围岩

+517m北翼回风巷采空区段浇筑永久性碹墙，碹墙布置在采空区及以外5.0m围岩完整段，按C30标号浇筑，厚度不低于1000mm，抗压强度达20.1N/mm2，保障碹墙支护安全可靠，后期使用过程中不漏风渗水。

4.围岩观测及效果分析

为了检验采空区支护效果， 及时准确分析巷道变形与时间变化规律， 支护完成后在采空区段每隔10m建立一个矿压测站对巷道围岩表面进行观测，共建立4个矿压测站，每个矿压测站安设一组收敛变形观测点。安装完15d内每天观测一次，以后5d观测1次。观测数据整理分析如图1所示，通过图1可以看出，注浆后巷道顶底板移近量稳定在64mm，两帮移近量稳定在25mm，说明采用帷幕注浆超前支护技术和29U型支架永久支护后的采空区巷道围岩得到了较好的控制。顶板无渗水现象，说明碹墙厚度的设计是合理的。同时可以看出在施工后前20天， 顶板的下沉量、两帮移近量和底鼓量在施工后随着时间逐渐地线性的增加，然后缓慢地达到最大变形量;施工后35天巷道变形曲线已趋于水平，采空区段内的围岩已达到相对稳定。这表明施工35天后巷道采用的支护体系已经充分发挥支护作用，较好地控制了采空区段的围岩。

五、结论

1.通过底板穿层注浆和顶板顺层注浆提高了围岩承载能力和整体稳定性，有效控制了破碎围岩，解决了采空区巷道掘进中围岩强度低、自承载能力差的问题，保证了巷道的正常掘进。

2.针对采空区围岩不稳定的特点，采用“浅循环、弱爆破、强支护”方式掘进。短管棚超前注浆加固和锚网喷+金属钢支架联合支护方法，有效的控制巷道顶板，确保施工质量安全可靠，同时也保证了施工进度及安全性，月进度40m。

3.巷道施工结束后，经过两个月的观察，巷道变形较小，无渗水现象，说明架料支护和发碹能保持稳定可靠的承载力，在以后过采空区、断层以及含水层巷道中都可推广应用。

参考文献

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