導語：本文以山西樓俊集團趙家莊煤業(yè)有限公司在四采區(qū)9402、9403綜放工作面揭露的原山西柳林陳家灣趙家莊煤業(yè)有限公司古空區(qū)注漿工程為例，對井下分段注漿法和地面全充填壓力注漿法進行綜合闡述，為解決煤礦在復采小窯開采古空區(qū)時遇到的片幫、冒頂?shù)劝踩[患提供參考依據(jù)。9402、9403綜放工作面分別采用兩種不同方案進行注漿，實踐表明，采用高固水材料注漿后，古空巷完全充實，原冒頂落矸結塊，回采過程中與實體煤無異，經(jīng)濟性、安全性良好，確保了礦井的安全生產(chǎn)。
煤炭是在古人用火的進程中被人類逐漸認識及利用的。在人類歷史中，煤炭的發(fā)現(xiàn)和應用，具有劃時代的意義，是人類改造自然，征服自然，推動社會前進的有力武器。我國是世界上最早開發(fā)和利用煤炭資源的國家。煤炭的開發(fā)與利用，有利地推動了社會發(fā)展和進步，極大地便利和豐富了人民的生活。
一、我國小煤窯開采歷史
1.我國古代煤炭工業(yè)發(fā)展
遠古時代我國一些流傳久遠的神話傳說充分說明，我國很早就已發(fā)現(xiàn)和利用煤炭。而挖掘巷道進行煤炭生產(chǎn)的記載最早在宋朝，主要生產(chǎn)區(qū)域為河南、河北、陜西、山東等省。據(jù)《汝州全志》卷四載：“宋時寶豐清嶺鎮(zhèn)產(chǎn)煤、礬，故名興寶”。河南文物工作隊于1960年在鶴壁礦區(qū)發(fā)現(xiàn)了包括一個井口、4條巷道、10個采區(qū)、和1處排水井在內(nèi)的宋元時代煤礦遺址，說明宋代時，我國已經(jīng)有了很完整的井下采礦技術。清朝煤炭開采業(yè)在明代的基礎上，得到了進一步發(fā)展。尤其是在乾隆年間（公元1736～1795年），出現(xiàn)了我國古代煤炭開發(fā)史上的有一個高潮，山西境內(nèi)就有很多清朝煤礦遺址。
2.我國近代小煤窯發(fā)展
在19世紀80～90年代初，形成了一個開辦煤礦的小高潮。至1895年為止，各地開辦了十幾個規(guī)模較小的近代煤礦，此為中國近煤礦發(fā)展的第一階段。1895～1936年是中國近代煤礦發(fā)展的第二階段，創(chuàng)辦了很多民族資本煤礦企業(yè)，主要有陜西保晉礦務局、晉北礦務局、山東中興煤礦公司、華東煤礦公司和河南中原煤礦公司，開辦了陽泉、大同、壽陽、晉城、峰縣、焦作、六河溝、萍鄉(xiāng)、賈江等煤礦。1914～1918年，中國民族資本近代煤礦得到了一定發(fā)展，又先后開辦了華東、長興、北票、正豐、長城、柳江、恰立、中和、大通、淮南等煤礦。在抗日戰(zhàn)爭時期，晉察冀邊區(qū)共有小煤窯473個，日產(chǎn)煤炭2000多噸；1949年，私營小窯產(chǎn)煤918萬t，占全國3243萬t煤炭產(chǎn)量的28．3％。
3.建國后小煤窯發(fā)展
建國后，1956年私營小窯實現(xiàn)了社會主義改造，以私人小窯為主的鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦不復存在。1958年2月，《人民日報》一篇社論上提出了“大躍進”的口號，當時的煤炭部提出了“全民大辦煤礦”的口號，要求小煤礦做到在全國“星羅棋布，遍地開花”。這些小煤窯建設工程絕大多數(shù)都沒有完工，在隨后(1960年)開始的煤炭工業(yè)第一次大調(diào)整中，煤礦的建設規(guī)模大量縮減。
小煤窯大規(guī)模破壞性開始發(fā)生在1979以后。在當時的經(jīng)濟條件下，為了實現(xiàn)投資少、見效快的效果，國家采取了大力扶持鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦的策略。在辦礦體制上，實行“國家、集體、個人一起上，大中小煤礦一起搞”的政策，小煤礦遍地開花；到1996年，鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦的產(chǎn)量達到了歷史最高峰6.15億t。在一系列的打壓政策后至2001年降至低谷，以后隨著經(jīng)濟復蘇而重新發(fā)展，至2004年又幾乎恢復到了1996年的水平，產(chǎn)量在6億t左右。
2009年以后，隨著國家政策的轉變及國家經(jīng)濟的發(fā)展，國家和地方相繼出臺了資源整合政策，小煤窯關、停、并、轉，徹底退出歷史的舞團。
二、小煤窯復采的必要性
小煤窯是的發(fā)展歷經(jīng)上千年，是歷史的產(chǎn)物。從它開始生產(chǎn)的那天起，無論是從當年的技術條件、經(jīng)濟投入還是安全要求都不具備安全生產(chǎn)的基本條件。現(xiàn)在它雖然退出了歷史的舞臺，但是當年采掘區(qū)域被資源整合兼并重組到各個礦井井田范圍內(nèi)，給各個礦井的采掘規(guī)劃及安全生產(chǎn)帶來很大的威脅。
1.小煤窯的采煤工藝
1958年以前至古代，小煤窯采煤一直是沿襲古老、原始的巷道掘進式采煤方法，由于手挖小煤窯開采產(chǎn)量不大，都是季節(jié)性開展，一般一個小煤窯能開工3至5年，每年向前挖幾米，主平巷挖好后，就沿煤層傾斜挖岔間，也叫上山、下山，一般掌子面斷面為下寬1.5米，上寬1米，高1.7米，呈梯形斷面。期間，小煤窯開采雖然縱橫上千年，但是小煤礦產(chǎn)量極小，活動區(qū)域不大，對目前煤礦生產(chǎn)影響較小。
1958年以后，由于煤窯的礦井采量的擴大及技術革新的推廣，其采煤方法發(fā)展到殘柱式采煤法叫“房柱式”開采。其采煤方法是沿煤層走向每隔15至20米開一上山平巷或下山平巷，然后在兩個平巷之間每隔10至20米開一個上山巷或下山巷。這樣開采到人力或者畜力極限后，再采用后退殘柱式巷道回采，用巷道分割煤柱直至一個煤柱、一個煤柱分割完。
2.小煤窯復采的經(jīng)濟價值
限于當時的開采條件，無論是沿襲古老原始的巷道掘進式采煤方法還是“房柱式”開采，都是粗放式開采。開采是選擇成本最低、經(jīng)濟效益最好的那部分資源進行挖掘，采空區(qū)內(nèi)留有頂煤、底煤和煤柱，回采率普遍為5%-15%之間，采出率相當?shù)停谀壳懊簝r持續(xù)走高，煤炭市場緊俏的情況下，采掘區(qū)域留煤仍有巨大的開采經(jīng)濟價值。以山西樓俊集團趙家莊煤業(yè)有限公司為例，其井田西南為原山西柳林陳家灣趙家莊煤業(yè)有限公司小窯開采古空區(qū)，受限于當時開采技術條件，開采過程中未進行巷道測量，所以具體采掘范圍、巷道走向不清。2009年礦井兼并重組后，對礦井井田進行采掘規(guī)劃，編制《礦井兼并重組整合項目初步設計》時，專家組認為該區(qū)域的古空區(qū)威脅太大，又有趙家莊村保安煤柱及工業(yè)廣場保安煤柱相隔，且與原礦井生產(chǎn)系統(tǒng)相距較遠，開采投資過大，經(jīng)濟效益不明，不具備開采價值，故在進行采掘布置時未進行考慮，也未進行采掘規(guī)劃。2016年以后，礦井面臨資源枯竭，采掘銜接緊張，出現(xiàn)無接替掘進工作面的局面，掘進隊也面臨輪休放假。在這種背景下，為提高礦井資源回采率，增加經(jīng)濟效益，同時避免礦職工放假流失的問題，經(jīng)認真考察評估，認為該小窯開采區(qū)域仍具有復采經(jīng)濟價值，遂重新布置規(guī)劃為四采區(qū)。
三、課題的提出
1.礦井概況
山西樓俊集團趙家莊煤業(yè)有限公司是經(jīng)山西省煤礦企業(yè)兼并重組整合工作領導組辦公室晉煤重組辦發(fā)[2009]33號文《關于呂梁市柳林縣煤礦企業(yè)兼并重組整合方案（部分）的批復》批準的兼并重組整合煤礦，批準開采9號單一煤層，生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a，面積3.7683km3。礦井瓦斯絕對涌出量為0.76m3/min，二氧化碳絕對涌出量為1.3m3/min，屬低瓦斯礦井。煤層具有爆炸性、自燃傾向性為Ⅱ級、地質構造簡單，水文地質類型中等，井田內(nèi)奧灰水水位標高為810-811m，煤層開采深度由1040-830m標高，全區(qū)不帶壓。
2.古空區(qū)概況
原山西柳林陳家灣趙家莊煤業(yè)有限公司始建于1991年，1996年建成投產(chǎn)，井田面積2.5307km2，原核定生產(chǎn)能力為90kt/a，礦井采用三個立井開拓，分別是主立井、副立井、回風立井。從主立井形成后，向西掘進過3條巷道形成通風系統(tǒng)，即正西巷、副西巷、回風巷，巷道長約200m—350m，然后采用不規(guī)則的“房柱式”開采工藝進行開采，巷道沿著9號煤層頂板以下0.5m進行掘進，以掘代采，巷道斷面3m*2.5m，木棚架支護。2019-2020年期間，四采區(qū)9402和9403工作面先后形成，礦安排專業(yè)技術人員對古空巷范圍進行測繪。9402綜放工作面內(nèi)部有古空巷751m，9403綜放工作面內(nèi)部有古空巷道1325m，分布廣、無規(guī)則、長度長、冒頂面積大，部分古空巷道方位與切眼工作面平行，過古空巷危險系數(shù)增加。
開采范圍如圖所示：
3.古空巷注漿充填材料作用機理
注漿充填材料在煤礦各種項目中的使用已經(jīng)有很久的歷史，然后古空區(qū)內(nèi)部分巷道有少量殘余積水，影響古空巷道充填效果，所以古空巷道充填需采用高固水材料。
高固水材料由甲、乙料由無機超細顆粒粉料組成、通過特定的工藝條件制得的復合型粉末狀材料。具有高流動性，快速凝固，強度高等特性，既可以替代有機高分子化學充填材料，也可以代替其它無機充填材料無機充填料?？蓪崿F(xiàn)遠距離輸送，漿最高可送120-260M，最長水平泵送距離達1200M，泵送入后自密實，具有良好的壓縮率5-10%，殘余強度可達極限；可用于采空區(qū)充填、密閉墻體充填、高冒區(qū)充填、隅角瓦斯充填和采空區(qū)防滅火充填。
使用時，甲、乙料分別與水混合后通過管道獨立輸送?；旌虾罅黧w再經(jīng)管路輸送至使用地點。兩種流體在混合前、后的流體行為有很大的不同?；旌锨傲黧w物性基本不隨時間改變，而混合后則產(chǎn)生水化作用，并在一定時間內(nèi)失去流動性，屬時變性流體。
高固水注漿材料在應用過程中，從配制成液態(tài)至混合，以及到使用地點，都通過管道輸送來完成。期間，漿體經(jīng)歷物理流動及化學反應固結的過程。這些變化特性對注漿設備的選型、管道形式的確定、輸送管路轉換關鍵點處置以及采空區(qū)注漿方式與技術方案的確定都有直接影響。
對高固水材料漿體性能的研究表明：高固水材料單漿流體流變性基本屬無粘性料漿，如表3.3-1中可以看出，高固水材料的體積濃度不超過0.1，為極稀懸浮液，且甲乙料漿粘度均較小。
通過實驗對甲乙兩種不同料漿粘度特性進行研究，結果見表3.3-2和表3.3-3?？梢钥闯觯煌w積下的A料液，其粘度隨時間變化不大，但隨著水體積的減少，粘度不斷增大。B料液的規(guī)律與A相似，但隨著時間增大，粘度有稍微增大的趨勢。從工程應用角度考慮，高固水注漿材料A與B漿液粘度屬低粘度。
以上規(guī)律表明，高固水注漿材料甲乙兩種單料漿可以視為牛頓流體，在研究時間段內(nèi)，其粘度變化不大，時間對單漿流體粘度影響不大。因粘度隨時間變化對工程應用不會產(chǎn)生較大影響，為該材料實施長距離輸送提供了理論基礎。
甲乙兩種漿液混合后，即開始發(fā)生反應?；鞚{體的流變性隨時間發(fā)生顯著變化，屬于時變性流體。時變性流體的粘度隨時間變化對高固水注漿材料混合后漿體管道輸送設計以及對采空區(qū)采取何種注漿方法具有直接的影響。此外，甲乙料漿混合后的粘度特性除與配比有關外，還與含水量有直接的關系。混合后的高固水材料漿體不再是牛頓流體，漿體屬震凝性時變非牛頓流體。不同凝結時間，其時變性滿足不同的規(guī)律；但相同凝結時間，不同水體積的漿體滿足相同的時變規(guī)律。
因此，在管路輸送設計時需要充分考慮該規(guī)律。選擇合適的材料凝結時間與輸送距離很重要，確保漿液的正常輸送。
4.高固水材料充填法方案對比
為確保9402綜放工作面回采工作的順利進行，防止回采期間過空巷時出現(xiàn)片幫冒頂事件，給煤礦安全生產(chǎn)帶來隱患，決定對9402、9403綜放工作面內(nèi)部古空巷道進行注漿充填加固。注漿充填古空區(qū)工藝有兩種：
（1）井下分段注漿
根據(jù)古空巷道揭露的支護和頂板情況，將注漿區(qū)分為數(shù)個標段，由內(nèi)向外依次充填加固。對冒落區(qū)域無法繼續(xù)前行時，采用冒落區(qū)口構筑閉墻加壓注漿和從靠近順槽和切眼位置施工鉆孔加壓注漿方式進行。對有支護、近水平且古空巷道較長的區(qū)域進行分段、分梯次依次充填。使其形成一個具有一定抗壓強度的再生承載體，確保9402工作面順利通過古空冒落區(qū)。
（2）全充填壓力注漿法
具體為在地表施工鉆孔，鉆孔深度達到采空底板3m，將注漿管密封在煤礦采空區(qū)上覆巖層中，采用泥漿泵，將漿液注入煤礦采空塌陷區(qū)和其上覆的巖層裂隙帶中，漿液的結石體阻止上覆巖層及地表的進一步變形，從而達到治理采空區(qū)之目的種為地面鉆孔注漿。
四、注漿施工
2019年-2020年，四采區(qū)9402和9403綜放工作面先后揭露古空巷道后，山西樓俊集團趙家莊煤業(yè)有限公司對兩個工作面的古空巷道采用以上兩種不同注漿工藝進行注漿施工。
1. 9402綜放工作面古空區(qū)注漿施工
（1）9402綜放工作面概況
9402綜放工作面為四采區(qū)的第二個綜放工作面，兩順槽掘進方位角為180°，走向長壁后退式開采，平均長度為504m，切眼長度為150m，回采面積72750m2。9402綜放工作面回風順槽掘進期間連續(xù)揭露古空巷6條，均沿9號煤頂板以下0.5m處薄層夾矸（0.04m）掘進，斷面3m（寬）×2.5m（高），房柱式開采、木棚架支護，支護間距1-2m，部分巷道大面積冒頂，局部有積水；9402進風順槽掘期間未揭露古空巷。經(jīng)詳細測量，9402綜放工作面共有古空巷道751m。
（2）施工工藝及流程
根據(jù)9402綜放工作面古空巷道測量結果，因該工作面古空區(qū)巷道范圍較清晰，大部分巷道支護良好，人員通行安全，故9402綜放工作面古空區(qū)采用井下分段注漿工藝施工。將9402綜放工作面古空巷分成21個標段，計劃注漿施工順序為從0號標段至20號標段依次進行。施工標段序號如下：
（3）充填操作工藝要求
1）水灰比選擇
現(xiàn)場試驗表明水灰比為控制在3-4:1，抗壓強度3-5Map左右；水灰比為控制在5:1，抗壓強度2-4Map左右，與煤體硬度相仿；水灰比為控制在6:1，抗壓強度1-2Map左右，強度小于煤體，但能達到充填效果；根據(jù)揭露古空巷道實際情況，計劃：
a.在冒落區(qū)域施工時，由于空巷的走向及深度不明確，為了能夠讓材料更好的擴散，在保證注漿效果的前提下，適當?shù)慕档筒牧系目箟簭姸?，增大水灰比?:1；
B.在積水區(qū)域施工時，為了吸收巷道內(nèi)積水，保證注漿效果，縮小水灰比至3:1；
c.在巷道支護良好區(qū)域施工時，保證水灰比至5:1；
2）古空巷注漿設備
高固水材料采用ZYB-80/80或ZYB-80/110雙液匹配注漿泵，具體參數(shù)見下表：
設備技術參數(shù)如下：
3）充填工藝
a.巷道支護良好區(qū)域施工時，用編制袋填裝煤矸石將古空巷道每20-30m分成一個小段，編織袋前后垛設兩層，并在里面擋墻鋪設風雨布，防止漏漿，然后從內(nèi)向外一次注漿。注漿段應預先加強老巷口的支護，防止頂板垮落傷人。充填時，應將管路盡量設置在每個小段巷道中部巷道頂板，以防止管道口被注漿料堵塞。如圖示：
b.在冒落區(qū)域施工時，采用編制袋填裝煤矸石將老巷出口封死，編織袋前后垛設兩層，并在里面擋墻鋪設風雨布，防止漏漿。在老巷口工作時，應預先加強老巷口的支護，防止頂板垮落傷人。充填時，應將管路盡量向前深入老空內(nèi)，進行充填。如圖示：
c.在冒落段長度大于40m時，古空巷口注漿無法達到注漿效果，應采用井下施工注漿鉆孔的辦法進行打鉆注漿。注漿過程中要隨時觀測注漿泵壓力，當泵壓達到5MPa時，立即停止注漿，進行下一注漿循環(huán)。如圖示：
（4）效果檢驗
9402綜放工作面注漿工程于2019年4月開始施工，歷時2個月，累計注漿1250噸。2019年7月工作面開始揭露古空巷，原空巷處注漿效果良好，注漿料大部分未能充填至古空巷道頂板，但也能在支架頂部形成較牢固的注漿人工假頂，空巷內(nèi)冒落區(qū)碎矸均結塊，采煤機割痕明顯，且未出現(xiàn)大的片幫和冒頂。
4.1.4-1 9402綜放工作面通過注漿區(qū)
2.9403綜放工作面古空區(qū)注漿施工
（1）9403綜放工作面概況
9403綜放工作面為四采區(qū)的第三個綜放工作面，兩順槽掘進方位角為180°，走向長壁后退式開采，平均長度為464m，切眼長度為105m，回采面積27300m2。工作面進、回風順槽均連續(xù)揭露古空巷數(shù)條，房柱式開采，巷道大部分冒頂，無積水。因古空巷道內(nèi)冒頂嚴重，人員踏勘測量不安全，結合揭露情況估算該工作面大約有古空巷道1300m。
（2）施工工藝及流程
根據(jù)9403綜放工作面古空巷道初步測量結果，因該工作面古空巷長度長、古空區(qū)范圍大，古空區(qū)大面積冒頂嚴重，井下分段注漿投工多、耗時長、不安全，所以計劃采用地面全充填壓力注漿法施工。地面施工鉆孔兩個，鉆深160m。鉆孔鉆進至工作面中部，古空巷道內(nèi)或者附近。地面注漿施工完成后，根據(jù)9403進、回風順槽古空巷口閉墻觀測的注漿效果，在井下閉墻口進行補充注漿，以確保注漿效果達到質量要求。
4.2.2-1 9403綜放工作面古空巷地面鉆孔施工位置示意圖
（3）充填操作工藝要求
1）水灰比選擇
a.在地面注漿施工時，為了能夠讓材料更好的擴散，在保證注漿效果的前提下，確定水灰比為6:1；
b.在巷道閉墻口補充注漿時，確定水灰比為5:1。
2）充填工藝
地面全充填壓力注漿法。在地表施工鉆孔，鉆孔深度達到采空底板3m，將注漿管密封在煤礦采空區(qū)上覆巖層中，采用泥漿泵，將漿液注入煤礦采空塌陷區(qū)和其上覆的巖層裂隙帶中，漿液的結石體阻止上覆巖層及地表的進一步變形，從而達到治理采空區(qū)之目的。
注漿施工順序：注漿施工時，應先施工邊緣帷幕孔，以形成有效的止?jié){帷幕，阻擋漿液的外流，后施工中間注漿孔。鉆孔應分序次間隔進行，一般分二～三個序次成孔，一序次孔對采空區(qū)可以起到補勘的作用，根據(jù)實際地層及采空區(qū)情況對后序孔的孔位、孔距、孔數(shù)進行適當調(diào)整，以彌補均勻布孔設計的不足。注漿工作也應間隔式分序次進行，一序次孔漿液可能擴散范圍較大，二、三序次孔注漿將使前序次未充填的空洞得到再次充填，從而提高充填率。傾斜煤層采空區(qū)應先施工沿傾向深部采空區(qū)邊緣孔，采取從深至淺的施工序次。
注漿施工工藝：采用一次成孔、自下到上，一次全灌注施工。
4.2.3-1 9403綜放工作面鉆孔注漿示意圖
（3）效果檢驗
9403綜放工作面注漿工程于2020年5月開始施工，歷時3個月，累計注漿3356噸。2020年9月9403綜放工作面開始揭露古空巷，原空巷處注漿效果良好，注漿料全部充填至古空冒落區(qū)頂板，支架頂部形成較牢固的注漿人工假頂，空巷內(nèi)冒落區(qū)碎矸均結塊，采煤機割痕明顯，且未出現(xiàn)大的片幫和冒頂。
4.2.3-1 9403綜放工作面通過注漿區(qū)
五、兩種古空區(qū)注漿工工藝比較
六、經(jīng)驗教訓
1.井下注漿時，古空巷道內(nèi)的注漿作業(yè)地點及安全出口必須加強支護，確保人員安全。所有施工人員都必須堅持執(zhí)行敲幫問頂制度，防止落矸碎石對作業(yè)人員造成威脅。嚴禁進入冒頂區(qū)域作業(yè)。發(fā)現(xiàn)頂板壓力大、頂板離層、托板變形、鋼帶斷裂、網(wǎng)包增多、聽見頂板有悶響聲等冒頂預兆時，要立即停止作業(yè)，撤出現(xiàn)場作業(yè)人員。
2.充填點和制漿站均需要安設甲烷、CO傳感器。作業(yè)過程中，瓦檢工現(xiàn)場跟班值守，隨時檢查瓦斯情況，發(fā)現(xiàn)瓦斯超限立即停工撤人，并馬上組織排放瓦斯。
3.加強現(xiàn)場領導力量。注漿施工期間，現(xiàn)場跟班礦領導、安全監(jiān)察專員、科隊長及掘進隊帶班隊長要現(xiàn)場指揮，協(xié)調(diào)注漿工作，以確保注漿施工安全順利完成。
4.地面注漿施工時，要對鉆場位置準確定位。為確保鉆孔職工質量，最好使用定向鉆機進行注漿鉆孔施工。根據(jù)現(xiàn)場情況合理設置，制漿池、沉淀池、泥漿池應分開，各類漿池的容量要大于計算泥漿水量30%以上，防止泥漿往外溢。
5.地面注漿施工時，為防止注漿料凝固堵塞鉆孔和出料口，所以必須24小時連續(xù)注漿。為供電安全可靠，供電系統(tǒng)必須采用雙回路供電；供水水泵需實現(xiàn)一用一備；注漿料需至少有1-2天備用量。
6.未防止人員墜落，泥漿池周圍應進行安全防護，并設置夜間照明設施，泥漿池周圍設置高1.2米防護欄，距泥漿池邊緣不小于500mm，欄桿柱打入地面深度不少于500mm，立柱間距不大于3000mm，防護欄設置密目安全網(wǎng)，掛設安全警示標識牌。
7.切實做好水土保持和植被保護工作，施工中的棄碴應統(tǒng)籌規(guī)劃考慮，并按地方環(huán)保部門的法律法規(guī)執(zhí)行；施工中的建筑垃圾、機械油污、生活污水、垃圾等應事先合理規(guī)劃排放處理地點，不得污染當?shù)厮磁c環(huán)境。
轉化果平臺咨詢電話：400-1817-969
