一种高地压三软煤层沿空顺槽超前注浆加固方法与流程

本发明涉及煤矿巷道围岩注浆技术领域，具体是一种高地压三软煤层沿空顺槽超前注浆加固方法。

背景技术：

近年来，留设区段小煤柱的工作面布置方式得到广泛采用；

留设区段小煤柱布置方式，具体地说，就是把准备工作面顺槽布置在相邻采空区一侧的低应力区煤体中，较完全沿空布置方式，留设的小煤柱可有效隔离老空区瓦斯和水，防治窜入新掘顺槽，并减少向老空区漏风，较留设大煤柱布置方式，消除了煤柱应力集中，提高了煤炭资源回采率；

留设区段小煤柱布置的沿空顺槽，一般采用锚网索支护，特殊条件下采用架棚支护或架锚复合支护，地压小、煤体硬，上述支护一般可满足回采使用要求，但对于高地压三软煤层的沿空顺槽，由于煤岩体裂隙发育、松软破碎，受老空区侧向支承压力和回采超前支承压力叠加影响，巷道变形破坏严重，表现为顶板下沉量大、底鼓严重和帮部位移量大，必须投入大量力量进行返修，对工作面安全高效回采十分不利；

针对以上缺陷，现提出解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决高地压三软煤层沿空顺槽现有支护技术存在的缺陷，提出了一种新的超前注浆加固方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高地压三软煤层沿空顺槽超前注浆加固方法，包括如下步骤：

(1)确定加固范围：基于巷道矿压显现特征和类似条件巷道变形特点与预设范围相符合时，则确定注浆加固操作及其沿空顺槽的注浆加固范围，且沿空顺槽的注浆加固范围包括加固长度、加固部位；

(2)选择加固材料：针对具体的加固部位，采用普通硅酸盐水泥、高分子材料或新型无机加固材料去做出加固操作；

(3)设计加固方案：确定注浆时机、设计加固方式和布孔参数；

(4)合理工艺施工：根据预设的封孔方法、注浆设备配置、浆液配比、注浆压力控制、注浆顺序和防漏液措施，并依此进行工艺施工；

其中，步骤(1)中的沿空顺槽的注浆加固范围内的加固部位，是指小煤柱加固，小煤柱加固和顶板加固，小煤柱、顶板加固和回采帮加固，小煤柱加固、顶板加固、回采帮加固和底板加固的四种情形之一；

且注浆加固结构由回采煤帮注浆钢管、顶板注浆钢管、小煤柱侧注浆钢管、底板注浆钢管、沿空留巷小煤柱、回采工作面、顶板、泥岩底板、松动区和老空区组成；

所述泥岩底板的一侧设置有老空区，所述泥岩底板的一侧还设置有沿空留巷小煤柱、回采工作面，且沿空留巷小煤柱与老空区为相邻设置，且沿空留巷小煤柱与回采工作面为相邻设置并互为配合结构，所述沿空留巷小煤柱、回采工作面和老空区的同侧均设置有顶板，且沿空留巷小煤柱、回采工作面、顶板和泥岩底板一同构成有松动区，经由顶板插入至松动区为顶板注浆钢管，经由泥岩底板插入至松动区为底板注浆钢管，经由沿空留巷小煤柱和回采工作面插入至松动区为回采煤帮注浆钢管。

进一步的，选择注浆材料是决定加固效果的关键所在，当前供煤矿注浆加固的用料有硅酸盐水泥、高分子化学材料和新型无机加固材料，其中的水泥浆粒径大、凝固时间长、析水收缩和强度低，在煤岩体中扩散半径小或不扩散，不适宜作为本发明的注浆用料，高分子化学浆的成本高、与煤体接触易发生着火隐患，新型无机加固材料具有超细、速凝、不析水、无收缩、微膨胀、高流动性、高粘结性、抗压强度大、不产生高温和不含氯化物的特点，适宜作为本发明的注浆用料；加固操作中的小煤柱、回采帮煤体注浆和底板注浆选用jd-wjf-1型单组份料，当煤岩体含水率高于预设值、巷道周边裂隙超过预设值时，选用jdaq-4型双组份料，而顶板注浆选用jdaq-4型双组份料或jd-wjf-2型单组份料。

进一步的，注浆时机分为边掘边注和边采边注，边掘边注的滞后掘进工作面不超过50m完成，边采边注处于回采工作面的支承压力影响范围外完成；

加固方式采用钢管注浆、注浆锚杆注浆和注浆锚索注浆的三种形式之一或两种以上组合，小煤柱、回采侧煤体采用钢管注浆加固，顶板采用注浆锚索或注浆钢管注浆加固，底板采用注浆钢管或注浆锚杆注浆加固；

布孔参数为注浆孔布置间排距、孔径、角度和深度，小煤柱加固的注浆孔视巷高采用双排矩形、三花或三排五花排布，间距1.0-2.0m、排距2.0-4.0m、孔径φ42mm、上排孔距离顶板0.5-1.0m、仰角10°-15°、下排孔距离底板0.5-1.0m、俯角10°-15°、中间排孔居中水平排布、注浆孔孔深为小煤柱宽度减2.0-2.5m；

回采侧煤帮加固的注浆孔视巷高采用双排矩形、三花或三排五花排布，间距1.0-2.0m、排距2.0-4.0m、孔径φ42mm、上排孔距离顶板0.5-1.0m、仰角10°-15°、下排孔距离底板0.5-1.0m、俯角10°-15°、中间排孔居中水平排布，孔深4-6m；

顶板加固的视巷宽布置两排、三排注浆锚索或注浆钢管，间距1.5-2.0m、排距2.0-3.0mm、中孔在巷道中心处，垂直顶板、两边孔距巷帮300-500mm、外扎20°-30°、孔深6-10m、孔径φ32mm或φ42mm；

底板加固的视巷宽采用两排、三排注浆钢管或注浆锚杆，间距1.5-2.0m、排距2-3m、中孔在巷道中间处，垂直底板、两边孔距巷帮300-500mm，外扎20°-30°、孔深3-4m、孔径φ42mm或φ32mm。

进一步的，采用注浆钢管注浆是按注浆实管、封孔器和注浆花管的方式布置，小煤柱、回采侧煤帮、底板注浆的封孔器置于距孔口1-2m处，顶板注浆的封孔器置于距孔口3-4m处，注浆设备采用bysb80/28-18.5kw液压注浆泵、jdw500-b气动搅拌桶，注浆压力在孔深4.0m以下为3-5mpa、在孔深4m以上为5-8mpa，当达到注浆压力上限时，立即停止注浆，当注浆过程出现漏浆时，采用间歇式注浆、跳跃式注浆和多次循环注浆，注浆顺序为先下部后上部，先初注后复注，水灰比为0.3-0.4:1。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)注浆材料及其注浆加固结构的选用、设置合理，采用jd系列的新型无机加固材料替代普通硅酸盐水泥或高分子材料作为沿空顺槽周边煤岩体的注浆加固用料，可注性强，结合强度高；

(2)注浆浆液将松散破碎的煤岩体胶结为整体，提高煤岩体的自稳能力和承载强度，同时注浆浆液封堵围岩裂隙、隔绝空气，以防止围岩风化和锚杆、锚索锈蚀，并防止围岩被水浸湿而降低围岩的自身强度，小煤柱注浆避免沿空侧瓦斯渗漏、漏风，杜绝瓦斯和火灾隐患；

(3)注浆使端锚的普通锚杆、锚索变成全长锚固锚杆、锚索，并将多层组合、拱联为整体，共同承载去提高支护结构的整体性，注浆后的喷层壁充填密实，保证荷载均匀作用于喷层和支架上，避免出现应力集中点而破坏的现象；

(4)改变高地压三软煤层沿空顺槽的传统支护方法，实现巷道维护由传统事后修复向超前主动加固转变，保证沿空顺槽的支护稳定，避免边掘边修、边采边修的现象。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明；

图1为本发明的注浆加固结构的整体结构示意图；

图2为本发明的小煤柱帮部注浆孔布置的剖面示意图；

图3为本发明的顶板注浆孔布置的平面示意图；

图4为本发明的小煤柱、顶板注浆孔布置的断面示意图；

图5为本发明的注浆流程示意图；

图中：1、回采煤帮注浆钢管；2、顶板注浆钢管；3、小煤柱侧注浆钢管；4、底板注浆钢管；5、沿空留巷小煤柱；6、回采工作面；7、顶板；8、泥岩底板；9、松动区；10、老空区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，一种高地压三软煤层沿空顺槽超前注浆加固方法，包括如下步骤：

(1)确定加固范围：基于巷道矿压显现特征和类似条件巷道变形特点与预设范围相符合时，则确定注浆加固操作及其沿空顺槽的注浆加固范围，且沿空顺槽的注浆加固范围包括加固长度、加固部位，而沿空顺槽的注浆加固范围内的加固部位，是采用小煤柱加固、顶板加固、回采帮加固和底板加固的情况；

且注浆加固结构由回采煤帮注浆钢管、顶板注浆钢管、小煤柱侧注浆钢管、底板注浆钢管、沿空留巷小煤柱、回采工作面、顶板、泥岩底板、松动区和老空区组成；

泥岩底板的一侧设置有老空区，泥岩底板的一侧还设置有沿空留巷小煤柱、回采工作面，且沿空留巷小煤柱与老空区为相邻设置，且沿空留巷小煤柱与回采工作面为相邻设置并互为配合结构，沿空留巷小煤柱、回采工作面和老空区的同侧均设置有顶板，且沿空留巷小煤柱、回采工作面、顶板和泥岩底板一同构成有松动区，经由顶板插入至松动区为顶板注浆钢管，经由泥岩底板插入至松动区为底板注浆钢管，经由沿空留巷小煤柱和回采工作面插入至松动区为回采煤帮注浆钢管；

(2)选择加固材料：针对具体的加固部位，采用新型无机加固材料去做出加固操作，选择注浆材料是决定加固效果的关键所在，新型无机加固材料具有超细、速凝、不析水、无收缩、微膨胀、高流动性、高粘结性、抗压强度大、不产生高温和不含氯化物的特点，适宜作为本发明的注浆用料；

且加固操作中的小煤柱、回采帮煤体注浆和底板注浆选用jd-wjf-1型单组份料，当煤岩体含水率高于预设值、巷道周边裂隙超过预设值时，选用jdaq-4型双组份料，而顶板注浆选用jdaq-4型双组份料或jd-wjf-2型单组份料；

(3)设计加固方案：确定注浆时机、设计加固方式和布孔参数；

注浆时机分为边掘边注和边采边注，边掘边注的滞后掘进工作面不超过50m完成，边采边注处于回采工作面的支承压力影响范围外完成；

加固方式采用钢管注浆、注浆锚杆注浆和注浆锚索注浆的三种组合，小煤柱、回采侧煤体采用钢管注浆加固，顶板采用注浆钢管注浆加固，底板采用注浆锚杆注浆加固；

布孔参数为注浆孔布置间排距、孔径、角度和深度，小煤柱加固的注浆孔视巷高采用双排矩形排布，间距1.5m、排距3.0m、孔径φ42mm、上排孔距离顶板0.75m、仰角12.5°、下排孔距离底板0.75m、俯角12.5°、中间排孔居中水平排布、注浆孔孔深为小煤柱宽度减2.25m；

回采侧煤帮加固的注浆孔视巷高采用双排矩形、三花或三排五花排布，间距1.5m、排距3.0m、孔径φ42mm、上排孔距离顶板0.75m、仰角12.5°、下排孔距离底板0.75m、俯角12.5°、中间排孔居中水平排布，孔深5m；

顶板加固的视巷宽布置两排、三排注浆锚索或注浆钢管，间距1.75m、排距2.5mm、中孔在巷道中心处，垂直顶板、两边孔距巷帮400mm、外扎25°、孔深8m、孔径φ32mm；

底板加固的视巷宽采用三排注浆钢管，间距1.75m、排距2.5m、中孔在巷道中间处，垂直底板、两边孔距巷帮400mm，外扎25°、孔深3.5m、孔径φ42mm；

其中，采用注浆钢管注浆是按注浆实管、封孔器和注浆花管的方式布置，小煤柱、回采侧煤帮、底板注浆的封孔器置于距孔口1.5m处，顶板注浆的封孔器置于距孔口3.5m处，注浆设备采用bysb80/28-18.5kw液压注浆泵、jdw500-b气动搅拌桶，注浆压力在孔深4.0m以下为4mpa、在孔深4m以上为6.5mpa，当达到注浆压力上限时，立即停止注浆，当注浆过程出现漏浆时，采用间歇式注浆、跳跃式注浆和多次循环注浆，注浆顺序为先下部后上部，先初注后复注，水灰比为0.35:1；

(4)合理工艺施工：根据预设的封孔方法、注浆设备配置、浆液配比、注浆压力控制、注浆顺序和防漏液措施，并依此进行工艺施工；

以任意矿场的采煤工作面回风顺槽为工程背景，其地质情况如下：

泥岩、砂质泥岩以黑色或黑灰色为主，水平层理结构致密，主要成份为层状硅酸盐形成的粘土经挤压后的泥岩，均厚为3.2m，顶板压力较大、变形严重，底板为砂质泥岩，底板变形、底鼓严重，预留小煤柱宽5.0m，宏观特征下的煤层松软、易碎，因受顶板、底板的相互作用力及其采动压力影响，小煤柱帮部的变形严重，煤体破碎有脱落需要及时进行加固操作；

根据相关的地质资料、现场条件，确定需要加固的区域长度为100m，超前注浆加固部位为小煤柱和顶板；

小煤柱注浆选用jd-wjf-1型单组份料，顶板注浆选用jdaq-4型双组份料；

方案一：小煤柱注浆孔布置为回风顺槽巷道断面宽*高＝4800*3200mm，注浆孔采取双排矩形布置，即按3-3布置，每排三个孔，注浆孔排距为2.6m并依次排列；每排孔沿巷道垂直方向，由上至下标注为1#孔、2#孔和3#孔，每排的1#孔距顶板500mm、仰角15°进行施工，每排的2#孔垂直煤柱帮进行施工、间距1000mm，每排的3#孔俯角15°进行施工、间距1000mm；

且小煤柱帮部注浆孔布置参数表如下所示：

方案二：顶板注浆孔布置为回风顺槽巷道断面宽*高＝4800*3200mm，顶板注浆孔采取双排矩形布置，即按3-3布置，每排三个孔，注浆孔排距为3.0m并依次排列；面向切眼方向，从右至左注浆孔依次标注为1#孔、2#孔和3#孔，每排的1#孔距帮部500mm、外扎15°进行施工，每排的2#孔垂直顶板设在回风顺槽巷道中部位置进行施工、间距1900mm；

且顶板注浆孔布置参数表如下所示：

其中的施工工艺为清理浮矸活石、打注浆孔、安注浆管、封孔器和注浆；

其中的施工设备、工具如下所示：

打眼：打帮部孔采用6yt-28手持风动凿岩机、φ42mm钻头，打顶部孔采用mqt-130锚杆机、φ42mm钻头，打眼时采取短打长套的方式；

小煤柱封孔器安装位置≮1.5m，顶板封孔器安装位置≮3.0m，根据围岩松动圈大小，可适当调整，注浆钢管的安装依次为注浆花管、封孔器和实管；

注浆前，可向孔内压注适量清水，冲刷清洗岩体内裂隙，提高浆液与围岩的粘接性能；

注浆过程如下：

第一步：注浆的施工单位应提前准备好注浆材料、注浆设备、封孔用棉纱和绑丝等；

第二步：把泵和附件、注浆材料等运至施工地点，且附件包括注浆用高压胶管、工具、注浆管、u型卡、连接注浆管用的接头等；

第三步：将泵、搅拌桶与动力源相连接；

第四步：检查泵内的液压油、润滑油量是否满足要求，开泵检查泵能否正常运转；

第五步：对注浆孔进行封孔作业；

第六步：待封孔材料达到封堵强度，即开始注浆；

第七步：检查泵及其注浆管路的连接情况，之后打开输出阀门并开始注浆、暂停注浆、继续注浆、结束注浆、用清水清洗泵和注浆管路；

第八步：在注浆过程中，当煤壁有返浆时，通过间歇注浆使已经注入煤体内的浆液上硬，泵及其注浆管内的浆液不失去流动性，从而封堵漏浆裂隙，也可在漏浆严重时换注双液材料，待漏浆通道封堵后再次换注单液材料；

第九步：对现场、设备进行清理。

注浆顺序是小煤柱注浆从下向上，顶板注浆从左至右或从右至左，也可先两边后中间，对于每一排注浆管逐排注浆，先初注、后复注，注浆前于注浆管口安装泄压阀、截止阀相配合，单孔注浆完成后进行泄压再进行换孔；

注浆液的配置是采用浆液搅拌桶搅拌配制，先按规定水灰比将清水加入拌料桶内，再按比例加入加固注浆材料；

开始注浆时的注浆压力为小煤柱注浆压力控制在3-5mpa，顶板注浆压力控制在5-8mpa；

注浆量是达到注浆压力上限或漏浆难以封堵时，停止注浆，注浆过程中应反复间歇式注浆；

漏浆处理是在注浆过程中，煤柱或顶板出现漏浆时，及时关闭截止阀采取间歇式注浆，如果相邻孔出现漏浆，则采取跳跃式注浆，当漏浆通道较大时，采用人工塞棉纱或停泵用封堵材料封堵，且因大范围漏浆或浆液消耗量过大而中断注浆时，采用水清洗钻孔，间隔一段时间后复注；

清洗设备是在注完浆后，用清水将搅拌桶内外、设备及其管路清洗干净，向桶内加入清水，同时加入少量的润滑油，开动注浆泵，将注浆泵内残留的浆液排出去，以防浆液堵塞注浆泵及其管路；

多次循环注浆是单液进行注浆出现漏浆时，采用多个钻孔循环注浆，以提高钻孔的有效注浆量。

即本发明是通过改变高地压三软煤层沿空顺槽的传统支护方法，实现巷道维护由传统事后修复向超前主动加固转变，保证沿空顺槽的支护稳定，避免边掘边修、边采边修的现象。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。