一种煤巷穿越采空区壁后-超前帷幕空间一体化注浆方法

摘要

本发明提供的一种煤巷穿越采空区壁后‑超前帷幕空间一体化注浆方法，适用于煤炭井下使用。通过喷射混凝土和构建止浆帷幕墙以防止浆液溢出；掘进前，在煤巷迎头施工高低位‑长短式超前管棚注浆钻孔，采用多级钻‑注循环方式将浆液注入到煤巷前方及顶板破碎煤岩体中，浆液固结硬化后可将破碎松软的煤岩体胶结成连续完整好的注浆结石承载体，并形成封闭的空间注浆加固帷幕；其有效改善穿越采空区煤巷围岩松散破碎状态，对掘进后的煤巷进行深浅锚注加强支护，可形成注浆锚杆浅层‑注浆锚索深层加固的高强双层锚注拱壳承载结构，增强了煤巷的承载力与稳定性，确保了煤巷安全高效穿越采空区。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿煤巷掘进安全领域，尤其是一种适用于穿越采空区或破碎围岩体的矿山煤巷、隧道等工程领域支护中对破碎围岩超前加固的一体化复合注浆方法。

背景技术

我国煤炭资源储量丰富，但煤层赋存环境复杂多样，众多矿区都存在多个可采煤层，伴随着煤炭资源开采深度逐渐增加，分层开采的情况愈加增多，很多工作面不可避免的要布置在采空区下方，而煤矿采空区覆岩层不稳定，岩性主要为泥岩和砂质泥岩，采空区附近围岩多为煤层或煤矸石地层，围岩软弱破碎，极易风化剥落，无自稳能力，煤层煤巷开挖时又加大了对破碎围岩的扰动，极大影响了穿越采空区破碎带时的煤矿煤巷围岩的安全稳定性。煤巷穿越采空区期间，若采用不当的维护措施，极易出现煤壁片帮、掉顶，轻则影响采掘进度，造成煤炭采出效率下降；重则造成瓦斯超限、突水、冒顶片帮等伤亡事故，给煤炭开采造成很大的安全隐患，探索穿越采空区破碎带期间的煤巷合理支护方式成为亟待解决的重大问题。

目前煤层煤巷穿越采空区时，通过提前确定采空区的位置和形态，增加煤巷掘进深度以降低煤巷顶板受采空区破碎围岩的影响，主要采取被动工艺方法，在距离采空区揭露较远处快速拉底、及时支护顶帮，或采用减小煤巷断面尺寸、铺网、扩大超前棚、增加临时支护等方式。然而，以上常规的穿越采空区煤巷围岩治理技术主要适用于受到小煤窑采空区影响，在遇到较大采空区时，由于围岩更加破碎松散，采空区破碎带煤岩体受到严重破坏，往往难以成功，降低了掘进速度，增加了支护成本。

注浆是加固采空区破碎带区域围岩、防止煤壁片帮的有效措施，与前述的传统方法最明显的区别在于，注浆加固是一种主动治理方法。在穿越采空区下方掘进煤巷时，依据“全填充压力注浆、超前帷幕注浆”的方法，采用注浆钻孔、注浆锚杆、注浆锚索等手段将水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆直接注入采空区，该方法注浆量大，支护成本高，各种手段不能有效形成耦合注浆方式，上覆岩层无法通过注浆浆液胶结破碎岩体形成稳定的加固拱壳结构，或仅能形成一层加固拱壳结构，煤巷围压依然不够稳定。且一般采空区回填注浆需要较长的时间后才能进行煤巷开挖施工，无法进行连续掘进，在靠覆岩层承担围岩荷载期间极易发生坍塌、突水涌泥事故，加剧了对施工作业人员安全的威胁，拖延整体工期，加大工程投资费用。目前对穿越采空区煤巷的支护问题尚无好的解决方案，亟需选择安全、参数合理可靠、经济性最优的支护技术穿越采空区。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对采空区围岩松散破碎易崩塌，且可能赋存有瓦斯、水等其他隐蔽致灾因素的问题，克服已有技术中的不足之处，本发明提供了一种安全可靠、适用范围广的煤巷穿越采空区锚杆浅层-锚索深层-超前注浆帷幕空间一体化复合注浆方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的煤巷穿越采空区壁后-超前帷幕空间一体化注浆方法，其步骤为：

a在开始掘进煤巷前，利用混凝土在未掘进煤巷的迎头面上构建止浆帷幕墙，待混凝土凝固后在止浆帷幕墙的上方靠近顶板处向破碎围岩区方向施工多个超前管棚注浆钻孔，并在超前管棚注浆钻孔孔口前端安装孔口耐高压厚壁注浆管；

b利用超前管棚注浆钻孔向未掘进煤巷上方的破碎围岩区注浆从而使破碎围岩胶结形成注浆加固结石承载区；

c对形注浆加固结石承载区下方的未掘进煤巷进行掘进，同时随着掘进的过程中向顶板布置多根注浆锚杆、注浆锚索并注浆，从而在煤巷顶部的破碎围岩及两帮围岩形成由浅部加固拱壳和深部加固拱壳构成的双层锚注拱壳承载结构；

d煤巷每掘进一段距离后就重复步骤a-步骤c先构建一段止浆帷幕墙，掘进煤巷过程中，对穿越采空区煤巷的顶板施工双层锚注拱壳承载结构，直至煤巷掘进结束。

首次煤巷掘进30～50m后实施步骤b注浆加固结石承载区，每次注浆加固结石承载区的范围为超前掘进工作面20～30m，相邻循环的搭接长度为2～3m；止浆帷幕墙使用32.5～42.5级普通硅酸盐水泥浇筑，厚度为4～5m左右，所述的止浆帷幕墙为外立面倾斜结构。

超前管棚注浆钻孔包括高位短管棚注浆钻孔和低位长管棚注浆钻孔，所述高位短管棚注浆钻孔布置在顶板下0.5～1.0m处，5～7个注浆钻孔为一组，孔深为10～15m；所述的低位长管棚注浆钻孔设置在顶板以下1.0～1.5m位置，4～6个注浆钻孔为一组，孔深为20～30m。

所述的高位短管棚注浆钻孔采用2～3级钻-注工序，首先钻进直径为130～150mm、深度为4～6m的注浆孔后安装孔口耐高压厚壁注浆管，注入水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆进行固管和注浆加固，注浆压力为3～5MPa；待浆液凝固后，在孔口耐高压厚壁注浆管内扫孔钻进直径为90～110mm、深度为5～10m的复孔一，注入水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆进行注浆加固，注浆压力为8～10MPa；待浆液凝固后，在复孔一内扫孔钻进直径为80～100mm、深度为10～15m的复孔二，注入水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆进行注浆加固，注浆压力为10～15MPa。

所述的低位长管棚注浆钻孔采用3～4级钻-注工序，首先钻进直径为130～150mm、深度为8～10m的注浆孔后安装孔口耐高压厚壁注浆管，注入水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆进行固管和注浆加固，注浆压力为8～10MPa；待浆液凝固后，在孔口耐高压厚壁注浆管内扫孔钻进直径为90～110mm、深度为10～20m的复孔一，注入水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆进行注浆加固，注浆压力10～20MPa；待浆液凝固后，在复孔一内扫孔钻进直径80～100mm、深度20～30m的复孔二，注入水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆进行注浆加固，注浆压力20～30MPa；若注浆深度较大时，可按每次8～10m的递进深度进行扫孔钻进和注浆施工，注浆压力可根据实际情况进行适当调整。

所述的孔口耐高压厚壁注浆管的直径为壁厚10～12m、100～120mm、长度为3～5m，其封孔长度为2.5～4.5m，采用橡胶止浆塞、棉花及麻绳组成的复合止浆塞进行封孔处理；在安装孔口耐高压厚壁注浆管时需外露80～100mm，方便连接注浆装置，利于后期复孔注浆，孔口耐高压厚壁注浆管前端焊接8～12#铁丝做成倒刺状，防止孔口耐高压厚壁注浆管被较大的注浆压力挤出，末端的孔口管卡口用来连接变径管段，所述的变径管段尾端与外接输浆管连接，变径管段上分贝设有球阀、泄压阀和压力表。

高位短管棚注浆钻孔与位短管棚注浆钻孔采用分次施工工艺，单孔超前管棚钻机和注浆施工时采用钻-注交替工艺和先中间后两帮的左右对称式施工方法，以避免注浆时发生串浆或漏浆；当高位短管棚注浆钻孔注浆加固完成后再施工低位长管棚注浆钻孔，高位短管棚注浆钻孔施工顺序为钻进靠近煤巷中线位置的注浆孔，然后钻进靠近煤巷左帮位置的注浆孔，之后钻进靠近煤巷右帮位置的注浆孔，钻进靠近煤巷左帮位置的高位短管棚注浆钻孔；低位长管棚注浆钻孔施工顺序为：首先钻进靠近煤巷中线位置的注浆孔，然年后钻进靠近煤巷右帮位置的注浆孔，第三钻进靠近煤巷左帮位置的注浆孔，最后钻进靠近煤巷右帮位置的高位短管棚注浆钻孔，根据此顺序可在煤巷顶板形成连续性好、承载力高的超前管棚帷幕结构。所述的高位短管棚注浆钻孔向上倾斜7～12°，向左右帮方向倾斜7～12°；所述的低位长管棚注浆钻孔向上倾斜6～12°，向左右帮方向倾斜6～12°。

所述高强双层锚注拱壳承载结构的具体施工方法为：在煤巷顶板及帮部施工浅层注浆锚杆，注浆时采用普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6～0.8、注浆压力为2～3MPa，使浆液渗透充填到较大的围岩裂隙中并可胶结破碎煤岩块，在煤巷周边形成3～5m范围的浅部加固拱壳结构承载体；所述的注浆锚杆规格为Φ20～22mm×2500～3500mm，间排距为800～1000mm×1000～1200mm；在煤巷顶板及帮部施工深层注浆锚索，注浆时采用采用超细水泥浆液，水灰比为0.8～1.0、注浆压力为5～6MPa，在较高的注浆压力作用下形成劈裂渗透充填方式，可充分充填煤岩体的微裂隙或孔隙，在煤巷周边形成8～10m范围的形成深部高强度加固拱壳结构承载体；所述的注浆锚索规格为Φ17.8～21.8mm×6000～8000mm，间排距为1600～2000mm×2000～2400mm；所述的煤巷顶板注浆锚索、帮部注浆锚索间隔布置在注浆锚杆中间，所述的注浆锚杆和注浆锚索的外露长度不小于50mm，以便后期连接注浆装置进行注浆；在注浆锚杆和注浆锚索注浆前，在煤巷顶板及帮部喷射混凝土喷层，以封闭围岩而防止注浆时浆液溢出，喷层厚约为80～100mm。

有益效果：本发明能够保证煤巷的掘进安全和煤巷掘进后的使用安全；通过喷射混凝土和构建止浆帷幕墙以防止浆液溢出；在煤巷迎头施工两组超前管棚注浆钻孔，采用多级钻-注循环方式将浆液注入到破碎煤岩体中，待浆液固结硬化后，形成梳状、网络状结构，把煤巷前方及顶板的破碎松软煤岩体胶结成连续完整的注浆结石承载体，并形成煤巷围岩空间上的帷幕封闭效果；采用低压渗透水泥充填-高压劈裂超细水泥渗透的协同注浆方法，对掘进后的煤巷进行锚注加强支护，形成的注浆锚杆浅层-注浆锚索深层加固的高强双层锚注拱壳承载结构，可为锚杆、锚索提供锚固持力层，提高了煤巷穿越采空区时煤岩体的力学性能，增强了煤巷上覆岩层的稳定性及承载能力，从而确保煤巷安全高效穿越采空区，具有工艺简单、安全、成本低、加固效果显著等特点。

附图说明

图1为本发明煤巷穿越采空区壁后-超前帷幕空间一体化注浆方法复合注浆方法剖视图；

图2为本发明煤巷穿越采空区壁后-超前帷幕空间一体化注浆方法的单个循环注浆钻孔剖视图；

图3为本发明煤巷穿越采空区壁后-超前帷幕空间一体化注浆方法的两个循环注浆钻孔俯视图；

图4为本发明煤巷穿越采空区壁后-超前帷幕空间一体化注浆方法的单个循环注浆钻孔俯视图；

图5为本发明煤巷穿越采空区壁后-超前帷幕空间一体化注浆方法注的浆钻孔断面布置图；

图6为本发明煤巷穿越采空区壁后-超前帷幕空间一体化注浆方法的孔口耐高压厚壁注浆管剖面图；

图7为本发明煤巷穿越采空区壁后-超前帷幕空间一体化注浆加固拱示意图。

图中：1-超前管棚注浆钻孔；2-孔口耐高压厚壁注浆管；3-孔口管卡口；4-软木止浆塞；5-倒刺；6-球阀；7-泄压阀；8-压力表；9-外接输浆管；10-变径管段；11-煤巷；12-止浆帷幕墙；13-下一级循环钻孔；14-未掘进煤巷；15-高位短管棚注浆钻孔；16-低位短管棚注浆钻孔；17-注浆加固结石承载区；18-破碎围岩区；19-注浆锚杆；20-注浆锚索；21-浅部加固拱壳；22-深部加固拱壳；23-混凝土喷层；24-双层网；25-注浆锚杆托盘；26-注浆锚索托盘；27-开挖轮廓线；28-煤巷中线；29-注浆孔；30-复孔一；31-复孔二。

具体实施方式

下面结合附图对发明的一个实施例作进一步的说明：

如图1和图2所示，本发明的煤巷穿越采空区壁后-超前帷幕空间一体化注浆方法，其步骤为：

如图3和图4，a在开始掘进煤巷11前，利用混凝土在未掘进煤巷14的迎头面上构建止浆帷幕墙12，待混凝土凝固后在止浆帷幕墙12的上方靠近顶板处向破碎围岩区18方向施工多个超前管棚注浆钻孔1，并在超前管棚注浆钻孔1孔口前端安装孔口耐高压厚壁注浆管2；首次煤巷11掘进30～50m后实施步骤b注浆加固结石承载区17，超前管棚注浆钻孔1包括高位短管棚注浆钻孔15和低位长管棚注浆钻孔16，所述高位短管棚注浆钻孔15布置在顶板下0.5～1.0m处，5～7个注浆钻孔为一组，编号依次为1-1#、1-2#、1-3#、1-4#、1-5#……，孔深为10～15m；所述的低位长管棚注浆钻孔16设置在顶板以下1.0～1.5m位置，4～6个注浆钻孔为一组，编号依次为2-1#、2-2#、2-3#、2-4#……，孔深为20～30m，每次注浆加固结石承载区17的范围为超前掘进工作面20～30m，相邻循环的搭接长度为2～3m，每个下一级循环钻孔13超前注浆钻孔施工位置在滞后上一个循环的高位短管棚注浆钻孔15孔底2～3m处；止浆帷幕墙12使用32.5～42.5级普通硅酸盐水泥浇筑，厚度为4～5m左右，所述的止浆帷幕墙12为外立面倾斜结构。所述的高位短管棚注浆钻孔15采用2～3级钻-注工序，首先钻进直径为130～150mm、深度为4～6m的注浆孔29后安装孔口耐高压厚壁注浆管2，注入水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆进行固管和注浆加固，注浆压力为3～5MPa；待浆液凝固后，在孔口耐高压厚壁注浆管2内扫孔钻进直径为90～110mm、深度为5～10m的复孔一30，注入水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆进行注浆加固，注浆压力为8～10MPa；待浆液凝固后，在复孔一30内扫孔钻进直径为80～100mm、深度为10～15m的复孔二31，注入水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆进行注浆加固，注浆压力为10～15MPa。

所述的低位长管棚注浆钻孔16采用3～4级钻-注工序，首先钻进直径为130～150mm、深度为8～10m的注浆孔29后安装孔口耐高压厚壁注浆管2，注入水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆进行固管和注浆加固，注浆压力为8～10MPa；待浆液凝固后，在孔口耐高压厚壁注浆管2内扫孔钻进直径为90～110mm、深度为10～20m的复孔一30，注入水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆进行注浆加固，注浆压力10～20MPa；待浆液凝固后，在复孔一30内扫孔钻进直径80～100mm、深度20～30m的复孔二31，注入水泥单液浆或水泥-水玻璃单液浆进行注浆加固，注浆压力20～30MPa；若注浆深度较大时，可按每次8～10m的递进深度进行扫孔钻进和注浆施工，注浆压力可根据实际情况进行适当调整。

b利用超前管棚注浆钻孔1向未掘进煤巷14上方的破碎围岩区18注浆从而使破碎围岩胶结形成注浆加固结石承载区17；所述的孔口耐高压厚壁注浆管2的直径为壁厚10～12m、100～120mm、长度为3～5m，其封孔长度为2.5～4.5m，采用橡胶止浆塞、棉花及麻绳组成的复合止浆塞4进行封孔处理；在安装孔口耐高压厚壁注浆管2时需外露80～100mm，方便连接注浆装置，利于后期复孔注浆，孔口耐高压厚壁注浆管2前端焊接8～12#铁丝做成倒刺状5，防止孔口耐高压厚壁注浆管2被较大的注浆压力挤出，末端的孔口管卡口3用来连接变径管段10，所述的变径管段10尾端与外接输浆管9连接，变径管段10上分贝设有球阀6、泄压阀7和压力表8。

c对形注浆加固结石承载区17下方的未掘进煤巷14进行掘进，未掘进煤巷14外侧设为开挖轮廓线27，同时随着掘进的过程中向顶板布置多根注浆锚杆19、注浆锚索20并注浆，从而在煤巷11顶部的破碎围岩及两帮围岩形成由浅部加固拱壳21和深部加固拱壳22构成的双层锚注拱壳承载结构；注浆锚杆19、注浆锚索20尾部设有注浆锚杆托盘25h和注浆锚索托盘26，高位短管棚注浆钻孔15与位短管棚注浆钻孔16采用分次施工工艺，单孔超前管棚钻机和注浆施工时采用钻-注交替工艺和先中间后两帮的左右对称式施工方法，以避免注浆时发生串浆或漏浆；当高位短管棚注浆钻孔15注浆加固完成后再施工低位长管棚注浆钻孔16，高位短管棚注浆钻孔15施工顺序为钻进靠近煤巷中线28位置的注浆孔29，然后钻进靠近煤巷左帮位置的注浆孔29，之后钻进靠近煤巷右帮位置的注浆孔29，钻进靠近煤巷左帮位置的高位短管棚注浆钻孔15；低位长管棚注浆钻孔16施工顺序为：首先钻进靠近煤巷中线28位置的注浆孔29，然年后钻进靠近煤巷右帮位置的注浆孔29，第三钻进靠近煤巷左帮位置的注浆孔29，最后钻进靠近煤巷右帮位置的高位短管棚注浆钻孔15，根据此顺序可在煤巷顶板形成连续性好、承载力高的超前管棚帷幕结构。所述的高位短管棚注浆钻孔15向上倾斜7～12°，向左右帮方向倾斜7～12°；所述的低位长管棚注浆钻孔16向上倾斜6～12°，向左右帮方向倾斜6～12°。

d煤巷11每掘进一段距离后就重复步骤a-步骤c先构建一段止浆帷幕墙12，掘进煤巷11过程中，对穿越采空区煤巷的顶板施工双层锚注拱壳承载结构，直至煤巷11掘进结束。

如图7所示，所述高强双层锚注拱壳承载结构的具体施工方法为：在煤巷11顶板及帮部施工浅层注浆锚杆19，注浆时采用普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6～0.8、注浆压力为2～3MPa，使浆液渗透充填到较大的围岩裂隙中并可胶结破碎煤岩块，在煤巷周边形成3～5m范围的浅部加固拱壳结构承载体；所述的注浆锚杆规格为Φ20～22mm×2500～3500mm，间排距为800～1000mm×1000～1200mm；在煤巷11顶板及帮部施工深层注浆锚索20，注浆时采用采用超细水泥浆液，水灰比为0.8～1.0、注浆压力为5～6MPa，在较高的注浆压力作用下形成劈裂渗透充填方式，可充分充填煤岩体的微裂隙或孔隙，在煤巷周边形成8～10m范围的形成深部高强度加固拱壳结构承载体；所述的注浆锚索20规格为Φ17.8～21.8mm×6000～8000mm，间排距为1600～2000mm×2000～2400mm；所述的煤巷顶板注浆锚索20、帮部注浆锚索20间隔布置在注浆锚杆19中间，所述的注浆锚杆19和注浆锚索20的外露长度不小于50mm，以便后期连接注浆装置进行注浆；在注浆锚杆19和注浆锚索20注浆前，在煤巷顶板及帮部安装双层网24，然后在双层网上喷射混凝土喷层23，以封闭围岩而防止注浆时浆液溢出，喷层厚约为80～100mm。