新型無機注漿材料在大采高工作面冒頂區處理中的應用

薛 帥

（晉城煤業集團趙莊煤業，山西，晉城048000）

大采高工作面綜采技術具有回采工藝簡單，資源回收率高，瓦斯治理難度小等優點，已經成為我國山西、內蒙等礦區建設高產高效礦井的主要途徑之一，但是大采高工作面礦壓顯現強烈，當煤體、頂板較軟時，煤壁易發生片幫，難以有效支撐頂板，引起頂板大范圍冒落[1-2]，而停采會導致頂板破碎程度加劇。因此，在冒頂發生后，有效處理冒頂區，加固前方煤壁、頂板，是礦井高效開采的一個重要課題。注漿加固是一種有效的冒頂區處理方式，漿體可以填充煤巖體中的裂隙，改善煤巖體結構完整性，提高其自身承載能力[3-4]。本文以晉煤集團長平礦4304大采高工作面為研究對象，針對冒頂區處理的問題，對冒頂區施工臨時通道，采用新型無機雙液注漿材料，配合中空注漿錨索對煤壁和頂板進行預加固，使大采高工作面安全高效通過了冒頂區。

1 工程概況

晉煤集團長平礦設計生產能力600萬t/a，開采3#煤層，一直面臨著煤軟、頂板軟的問題，自引進6m的大采高后，影響更為突出。4304大采高工作面傾斜長195m，走向長1060m，開采仰角4°，平均采高6m。在工作面即將推進到主撤架通道時，遇到構造帶，煤層松軟，再加上受周期來壓影響，煤壁上部片幫嚴重，頂板破碎，工作面距機頭30～150m范圍內出現不同程度的冒頂，其中距機頭95～120m范圍內冒頂更為嚴重，局部最大冒頂高度達6.4m。支架無法接頂，工作面停采，如圖1所示。

圖1 大采高工作面冒頂狀態示意圖

2 冒頂區處理方案

2.1 施工臨時通道

由于冒頂已經發生，支架無法接頂，支架頂梁前方也被破碎的矸石堆積，傳統的工作面煤壁、頂板注化學漿加固方式已無法取得有效作用，必須對頂梁上矸石進行清理，對前方區域進行加固。在支架前方沿煤層頂板掘進臨時通道，處理懸露矸石，后在臨時通道內對通道上方頂板、前方頂板和煤壁采取注漿加固措施。

臨時通道采用炮掘工藝，沿煤層頂板掘進，斷面為3.5m×3.0m，貫穿工作面全長。采用錨網索支護，幫錨桿采用Φ20mm×2400mm玻璃鋼錨桿，頂錨索采用Φ22mm×8300mm高強度鋼絞線錨索，排拒均為1.0m。頂板特別破碎區域架棚支護，架棚間距1.0m，對冒落高度較大的區域使用發泡材料充填，如圖2所示。

圖2 冒頂區臨時通道施工方法及支護示意

2.2 煤壁及頂板注漿加固

通過掘進臨時通道，對冒頂區碎矸和頂板進行加固后，為了防止冒頂區進一步擴展，必須對工作面前方破碎煤壁和頂板進行預加固，以防止工作面向前推進過程中，在強支承壓力下煤壁片幫，再次誘發冒頂。

如圖3所示在臨時通道內，布置煤壁、頂板注漿鉆孔，其中煤壁注漿加固鉆孔布置一排，開孔高度距臨時通道底板1.5m，鉆孔直徑Φ42mm，孔深8.0m，孔間距6.0m，孔口封孔管采用2.0m長的4分鍍鋅鋼管，里面采用6.0m長的鋁塑管作為注漿花管；工作面頂板每一排布置兩個鉆孔，一個垂直頂板施工，一個與頂板45°夾角，孔間距6.0m，孔深8.0m，鉆孔0～4m 孔 徑 Φ42mm，4～8m 孔 徑 Φ32mm， 采 用Φ22×8000mm的中空注漿錨索進行頂板加固。

圖3 冒頂區煤壁及頂板注漿鉆孔布置圖

2.3 新型無機雙液注漿材料性能

采用的新型無機注漿材料為雙液注漿材料，由A、B兩組分組成，雙液混合之后1～3min失去流動性，5～10min完全固化。在水灰比0.8：1的情況下，2h可達12MPa左右，不同水灰比下強度參數如圖4所示。該材料具備速凝早強特性，固化速度和強度與高分子注漿材料相當，但使用時安全性更好，無毒腐蝕作用，注漿成本僅為聚氨酯類高分子注漿材料的20%。此外，該類注漿材料施工水灰比可調范圍大（0.5～2：1），即使水灰比較大時也具備較好的固化特性，結石率仍可以達到100%，適合于不同破碎程度的圍巖注漿。

圖4 新型無機注漿材料強度曲線

2.4 中空注漿錨索及工藝改進

本次冒頂區處理頂板采用Φ22×8000mm的中空注漿錨索進行注漿加固，錨固長度1500mm，破斷力≥420kN，預緊力100kN，配套托盤400mm×400mm×16mm。

圖5 中空注漿錨索安裝示意圖

現有的中空注漿錨索采用止漿塞封孔，長度僅為300mm，難以起到有效的封孔效果。冒頂區域內注漿鉆孔孔口在止漿塞的作用下不發生漏漿，但淺區破碎圍巖裂隙發育，且貫通性好，因此大量漿液會從孔口0～2m范圍內的裂隙通道漏出，造成注漿失敗。因此必須采取措施改善中空注漿錨索封孔工藝，但又不能影響錨索樹脂藥卷攪拌錨固。本次主要采用錨索錨固后，張拉之前向孔口填塞棉紗的方法，填塞長度1.0～1.5m，根據圍巖破碎情況確定，漏漿嚴重時適當增加長度，如圖5所示。靠此方法很好的解決了圍巖淺區漏漿問題，其主要原因在于新型雙液注漿材料混合后能夠快速失去流動性，稠度、粘度增加，很難通過填塞棉紗區域，從而封堵淺層區域。

3 注漿加固效果分析

通道上方頂板注漿鉆孔和前方頂板鉆孔各施工35排，煤壁鉆孔施工34排，平均每孔注漿干料約2.0t，漿料約3.6t，最大單孔注漿量干料約6.3t，漿料約11.3t。從注漿量上看，冒頂區破碎圍巖得到充分加固。另外注漿過程中，未發生過封孔不嚴實孔內漏漿現象，漿液在完全滲流區內擴散至表面發生漏漿時，停泵1～2min可自行封堵，注漿終止壓力一般在8MPa左右。

注漿之后，煤壁和頂板變形明顯減小，經現場觀測，7d后煤壁累計向支架側移近20mm，頂板累計下沉25mm，煤壁和頂板得到控制。

注漿過后7d，工作面繼續推進，煤壁片幫明顯減輕，未再次發生冒頂，工作面順利推過。

4 結 論

1）新型無機雙液注漿材料具有快速凝結、固化的特性，能夠滿足時效性較強的工程需要，且與高分子材料相比，水灰比可調，凝結速度可調，材料粘度大小可調，能夠適應不同破碎程度圍巖注漿；

2）通過在中空注漿錨索錨固和張拉兩個工序之間填塞棉紗封孔，靠漿液的快速自封特性，解決了以往中空注漿錨索施工工藝中存在的封孔長度短、孔口附近完全滲流區漏漿難以處理的問題；

3）采用掘進臨時通道并對前方頂板、煤壁進行預注漿的冒頂區處理方式，成功的處理了冒頂區，對可能發生的再次冒頂事故起到了預防作用，為類似條件下冒頂區處理提供了一種解決辦法。