注漿加固技術在綜采面破碎頂板治理中的應用

李國剛

（大同煤礦集團朔州煤電有限公司，山西 懷仁 038300）

1 概況

大同煤礦集團朔州煤電有限公司小峪煤礦8102工作面位于井田一水平東翼，工作面東西走向，北部為8101采空區，東部為井田邊界，南部為實煤區，西部為盤區大巷。

8102工作面設計走向長度為1320m，傾向長度為170m，開采煤層為二疊系下統山西組的4號煤層(山4#），煤層平均厚度為3.8m，煤層發育不穩定，含多層夾矸。8102工作面無偽頂，直接頂主要以炭質泥巖為主，平均厚度為4.5m，巖體穩定性差，受采動影響易破碎，巖石普氏系數f＜3.5；基本頂主要以粉砂巖為主，平均厚度為11.7m。8102工作面采用綜合機械化回采工藝，全部垮落法處理采空區。

8102工作面水文地質資料顯示，工作面在670～740m段共計揭露8條逆斷層，斷層平均落差為0.7m，平均傾角為40°。受斷層群影響，工作面頂板出現條帶式剪切破壞。工作面回采至660m處時頂板出現嚴重破碎、局部冒頂現象，煤壁剝離破壞嚴重，端面空頂距加大，工作面回采速度降低至3.5m/d，嚴重制約著工作面安全高效回采。

2 工作面破碎帶初步支護設計及問題分析

2.1 原支護設計

原支護設計中8102工作面斷層帶破碎頂板采用“JW”型鋼帶、錨索吊棚進行聯合支護。

（1）“JW”型鋼帶。工作面回采至670m處時采煤機割煤后，及時在工作面端面破碎頂板施工一排“JW”型鋼帶。鋼帶長度為4.2m，每根鋼帶配套5根長度為2.5m左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間距為0.9m，鋼帶排距為1.0m。

（2）錨索吊棚。錨索吊棚長度為3.5m，主要由一根11#工字鋼梁、2根長度為5.0m預應力錨索組成，錨索間距為1.75m。錨索吊棚施工在相鄰兩排鋼帶之間，錨索吊棚排距為3.0m。

2.2 問題分析

（1）支護強度大，成本費用高，回采效率低。由于8102工作面破碎帶長度達70m，工作面需施工70排鋼帶、35排錨索吊棚，支護成本費用達92萬元，而且支護勞動強度大，支護速度慢，嚴重影響工作面高效回采，平均回采速度為3.5m/d。

（2）支護鉆孔施工擾動破壞嚴重。由于8102工作面直接頂主要以炭質泥巖為主，巖體穩定性差，裂隙發育，而采用鋼帶加強支護時鋼帶排距為1.0m，每根鋼帶配套5根錨桿，錨桿支護相對密集，在施工支護鉆孔時，會對頂板不穩定巖體產生擾動破壞，從而加大了頂板破壞程度，降低了支護效果。

（3）鋼梁剪切破壞嚴重。由于11#工字鋼梁柔性低，剛度強，且支護斷面小，頂板在受壓情況下，錨索吊棚很容易對破碎頂板產生剪切破壞，從而進一步破壞了破碎頂板連續完整性，很容易造成頂板條帶式垮落。

3 注漿加固技術應用

為了提高8102工作面破碎頂板承載能力，降低勞動強度及支護成本費用，決定采用水玻璃注漿加固技術進行破碎頂板維護。

3.1 水玻璃注漿加固技術原理

采用一定比例的水玻璃與泥漿進行混合攪拌，以液態形式通過高壓作用沿著破碎巖體裂隙滲透擴散。水玻璃混合液硬化后會析出高強度粘附力的硅酸凝膠，并與巖體產生高度粘合形成一體，從而充分堵塞巖體裂隙孔，并在表面形成連續封閉膜，提高了巖體膠結穩定性，強化了圍巖松圈，使巖體整體穩定性得到改善。

3.2 注漿設備及漿液配比

（1）注漿設備。采用型號為ZBQS-8.4/12.5氣動注漿泵進行注漿施工，注漿壓力在3.5～7.0MPa。

（2）漿液配比。注漿水灰質量比為1:1.2，水玻璃與水泥漿體積比為1:2，注漿水玻璃濃度控制在20～25Be范圍內。

3.3 注漿鉆孔技術參數

8102工作面從680m處對破碎頂板施工一排注漿鉆孔，鉆孔施工在距工作面頂板1.0m處煤壁上。鉆孔深度為8m，間距為4.0m，排距為3.0m，直徑為40mm，鉆孔以45°仰角布置。鉆孔施工完后，確保終孔位置位于基本頂內，如圖1所示。

圖1 8102工作面頂板破碎帶注漿鉆孔平、剖面示意圖

3.4 注漿工序

（1）預埋注漿管。注漿管采用長度為2.0m、直徑為40mm鋼管，鉆孔內共計埋設3節注漿管，管與管之間采用絲扣連接，最后一節鋼管外露鉆孔孔口0.5m，并在端頭安裝控制球閥。

（2）注漿工序。注漿鉆孔施工完后，將注漿管埋入鉆孔內并進行封孔處理，注漿管端頭安裝流量控制球閥后與注漿軟管連接，并將軟管另一端與高壓注漿泵出漿口連接。將注漿泵吸漿籠頭分別插入水玻璃、水泥漿液桶內，開啟注漿泵及流量球閥進行高壓注漿。

（3）注漿壓力調節。注漿壓力主要通過控制注漿泵供風量實現泵量控制，從而得到注漿壓力控制的目的。在注漿前期注漿壓力升高相對較慢，可采用大泵量注入，注漿后期壓力升高相對較快時，可采用小泵量注入。當注漿壓力達到設計值時，維持小泵量注入5min后可停止注漿。

4 效果

大同煤礦集團朔州煤電有限公司通過技術研究，對小峪煤礦8102工作面過斷層群破碎帶區域原支護設計主要存在的技術難題進行合理分析，提出了水玻璃加固技術，通過實際應用取得了顯著成效。

（1）降低了支護成本費用。8102工作面采用注漿加固技術共需注漿成本及勞動費用為31萬元，節約支護成本費用達60余萬元。

（2）降低了支護勞動強度。8102工作面注漿施工僅需3人即可完成，每排鉆孔注漿時間僅需5d，與傳統支護相比，縮短了支護時間，提高了工作面回采效率，在后期工作面平均回采量達8.7m/d。

（3）提高支護效果。8102工作面頂板破碎巖體采用注漿加固后，巖體單軸抗壓強度由原來的29MPa提高至74MPa，加強了支架支護效果。工作面在后期回采階段未發生頂板大面積破碎、冒頂以及煤壁片幫現象，保證了工作面安全高效回采。