大采高工作面末采防片幫深孔注漿加固研究

侯璐擁

（山西省晉煤集團寺河礦，山西 晉城 048000）

大采高工作面末采階段由于回采工序增加導(dǎo)致工作面推進速度降低，且回撤通道與工作面之間的煤柱寬度逐漸變窄失穩(wěn)導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)劇烈，極易引起工作面煤壁片幫以及冒頂事故發(fā)生。同時，主撤巷道受工作面超前支承應(yīng)力作用，經(jīng)受動壓的劇烈擾動，導(dǎo)致回撤巷道變形破壞嚴重，給回撤工作造成安全隱患，制約工作面高效安全生產(chǎn)。因此，防止工作面在末采階段出現(xiàn)片幫、冒頂是目前急需解決的問題[1-3]。

1 工程概況

寺河礦5303工作面開采3#煤，平均煤厚5.9m，采用一次采全高工藝。工作面傾斜長度為221.3m，走向長度為1334.8m，煤層傾角平均為3°。煤層基本頂為6.23m厚的細粒砂巖；直接頂為3.45m厚的粉砂質(zhì)泥巖；偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度為0.60m。直接底為粉砂巖，厚度為1.22m；基本底為細粒砂巖，厚度為2.06m。工作面巷道布置如圖1所示，53031巷為工作面的軌道運輸巷，53033巷為工作面的皮帶運輸巷。

圖1 5303工作面巷道布置

2 工作面末采注漿加固方案

2.1 注漿時機選擇

大采高工作面前方存在一個移動支承應(yīng)力，支承應(yīng)力影響是造成煤體發(fā)生裂隙的主要原因，分析支承應(yīng)力的分布，可以確定合理的注漿時機。超前支承應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 超前支承應(yīng)力分布特征

由圖2分析可知：（1）在原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)煤體所受應(yīng)力較低，因此裂隙往往不發(fā)育，且孔隙連通性差，導(dǎo)致此處煤體可注性差。即使在該處注漿，該處煤體還要經(jīng)受強烈的超前支承壓力擾動，煤體會再次破壞，工作面仍會片幫。（2）應(yīng)力增高區(qū)的應(yīng)力較高，煤體受較高的應(yīng)力影響，該區(qū)域內(nèi)煤體裂隙增大，裂隙連通性大，因此煤體的可注性增強[4-5]。（3）應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)煤巖體完全破碎，可注性較好，但煤巖體基本喪失承載能力，要求注漿材料強度較高，且存在漏漿和浪費漿料的問題。

由上述的分析可知，合理的注漿區(qū)域選擇在圖2應(yīng)力增高區(qū)中。對于5303工作面，合適的注漿時機為回撤通道距工作面50～60m的位置。

在實際操作中，對于順槽內(nèi)的鉆孔，當工作面推至距其有50～60m時是最佳的注漿時機，邊推邊注，形成“移動注漿”，使正在注漿的鉆孔始終保持在距工作面50～60m范圍內(nèi)。對于主撤巷道內(nèi)的鉆孔，當主撤鉆孔端部距工作面60m時即為最佳注漿時機，考慮到主撤鉆孔長度為30m，即主撤注漿時，將首先加固主撤前方30m左右處的煤體，故決定主撤距工作面90m時開始注漿，亦可取得良好注漿效果。

2.2 鉆孔布置及施工

現(xiàn)場施工時，結(jié)合實際情況，最終選擇方案進行注漿鉆孔布置的原因主要包括以下幾點：

（1）現(xiàn)場施工工期短，時間緊張，礦方調(diào)不出鉆探隊進行深孔施工；（2）現(xiàn)場53033巷為皮帶巷，工作面?zhèn)认飵吞庝佋O(shè)有運輸皮帶，無法架設(shè)鉆機施工鉆孔；（3）工作面布置有主撤巷道，在主撤巷道中施工30m深鉆孔較為方便，同時在30m深鉆孔間布置15m深鉆孔，鉆孔覆蓋范圍廣。

在主撤巷道內(nèi)，布置15m鉆孔共46個，仰角為10°，呈一排布置，間距5m，距底板高度為2.5m；30m鉆孔72個，位于15m鉆孔下方，呈三花布置，上排孔距底板高度為2m，仰角6°，下排孔距底板高度為1.5m，仰角0°，各排鉆孔間距4m，側(cè)視圖及剖面圖如圖3所示。

圖3 5303工作面主撤巷道鉆孔布置圖

在53031巷內(nèi)，布置80m鉆孔17個，呈三花布置，上排孔距底板高度為2m，仰角為1～2°，下排孔距底板高度為1.5m，仰角為0°，各排鉆孔間距4m；后為了達到更好的注漿加固效果，在53031巷內(nèi)補打20m鉆孔10個，仰角6°，呈一排布置，間距5m，距頂板高度為1.5m，側(cè)視圖、剖面圖如圖4所示。

圖4 53031巷鉆孔布置圖

2.3 注漿材料及工藝參數(shù)

（1）注漿材料。深孔注漿材料為雙液注漿材料，兩種漿液在混合前，24h時內(nèi)不凝固、不泌水、不沉淀，混合后凝結(jié)時間為3～10min，水灰比為0.8時，1～8h混合后的固結(jié)體的強度能達到8～14MPa以上。該材料在不同水灰比時的抗壓強度如表1示。

（2）注漿時機。注漿鉆孔進入工作面前方距離回撤通道50～60m時開始實施注漿。

（3）注漿壓力。根據(jù)現(xiàn)場漏漿情況進行確定，一般終孔注漿壓力不低于15MPa，漏漿嚴重時可以降低注漿壓力。

（4）注漿設(shè)備。深孔注漿應(yīng)采用流量較大、額定注漿壓力較大的液壓注漿泵，本次建議采用ZBYSB190/32-55（額定流量190L/min，額定壓力32MPa，功率55kW，重量1.9t）分體式型液壓注漿泵。注漿管：空口管采用2m長的4分鍍鋅鋼管，孔內(nèi)其余部分8～10m采用1214型鋁塑管，鋁塑管和鋼管之間采用插接方式連接，并用鉚釘固定；鋁塑管的前段2～3m鉆射漿孔，成對穿布置，間距300mm。注漿封孔：在2m長空口管前后兩端纏繞鐵絲并點焊固定，在注漿鋼管的前后兩端纏繞棉紗并固定，放入孔內(nèi)后再在兩端棉紗中間灌注快凝雙液注漿材料。

（5）單孔注漿量。單孔注漿量取決于超前支承壓力影響范圍和程度，單孔注漿量原則上需一直注至壓力上限為止，深孔注漿壓力達到15MPa并保持穩(wěn)定，即認為該孔注滿。根據(jù)前期實驗初步測算單孔注漿量為2～3t/孔。

表1 注漿材料不同水灰比抗壓強度對比

3 效果檢驗

本次末采注漿共消耗注漿材料187.25t，其中30m孔共注5180袋，15m孔共注266袋，80m孔共注1344袋，20m孔共注700袋，合計7490袋?，F(xiàn)場拌料水灰比采用0.6，故注進煤巖體中的漿液共計299.6t。如圖5所示，通過對比注漿前后工作面情況可知，注漿加固有效改善了工作面片幫的現(xiàn)象。

隨著工作面逐漸靠近主撤巷道，工作面煤壁片幫的數(shù)量以及深度呈逐漸上升趨勢。分析是由于煤柱逐漸變窄，發(fā)生塑性破壞，喪失承載能力，該情況無法避免。但是在總體上，在推進過程中工作面保持平整，偶爾有片幫現(xiàn)象的發(fā)生，但并不影響安全和生產(chǎn)。

工作面末采期間煤壁基本平整，沒有出現(xiàn)片幫深度大于1.0m的煤壁片幫現(xiàn)象，注漿加固效果明顯，工作面最后15m僅用了3d時間便全部回采完畢，使設(shè)備安全進入回撤巷道，在保證安全的同時實現(xiàn)了工作面與主撤巷道的快速貫通。

圖5 末采階段煤壁情況

4 結(jié)論

（1）大采高工作面煤壁前方存在一個移動支承壓力，具備明顯的分區(qū)特征。根據(jù)工作面支承應(yīng)力分布規(guī)律，分析支承應(yīng)力降低區(qū)為合理的注漿時機。

（2）根據(jù)5303工作面實際情況，確定了注漿時機，并設(shè)計注漿鉆孔布置和注漿系統(tǒng)等，形成科學(xué)可行的方案。

（3）施工完成之后，通過現(xiàn)場工作面煤壁觀測，對注漿效果進行了評價。結(jié)果顯示末采注漿加固注漿效果顯著，末采期間煤壁基本平整，工作面與主撤巷道快速貫通。