趙莊礦大采高工作面超前深孔注漿加固技術

劉 洋

(晉城煤業集團 趙莊煤業，山西 晉城 048006)

趙莊煤業主采3#煤層，采用大采高采煤技術，煤層上賦存一層極不穩定的泥巖(夾矸)，由于復合煤層頂板的存在，造成該煤層頂板具有遇水膨脹、風化等特性，使得工作面在回采過程中面臨大面積片幫、冒頂等事故，影響工作面正常回采[1]. 當工作面推進過程中遇到構造區時，工作面液壓支架很難有效支撐頂板，頂板、煤幫在長時間缺少支護的條件下極易造成冒頂事故[2-3]. 在實際生產過程中，為避免大面積冒頂、片幫事故，工作面常采用單體支柱配合板梁做臨時支護，但該方法需要人工進入煤壁作業，需要人工多、工作量大，嚴重威脅工人的人身安全。因此，為防止工作面發生冒頂、片幫事故，解決工作面難以安全高效通過構造區等問題，以趙莊礦1307大采高工作面為工程背景，對大采高工作面構造區進行超前深孔注漿加固技術研究。

1 工程概況

趙莊礦1307大采高綜采工作面位于一盤區，開采3#煤層，煤層厚度為4.60～6.10 m，平均煤厚5.36 m，煤層傾角為0°～5°，平均3°，煤層上部有夾矸，厚度1.5～3.0 m. 工作面為一進一回通風方式，其中，13071巷為進風巷、運煤巷，13072巷為回風巷、運料巷，工作面東側為第二回風巷(已掘)，北側為掘進未回采的1308工作面，南側為回采完畢的1306工作面。工作面具體布置見圖1.

圖1 工作面布置圖

2 深孔注漿加固機理分析

2.1 大采高工作面片幫冒頂機理

在工作面推進過程中，頂板壓力在不斷的變化、重新分布。工作面頂板巖層呈現出“彎曲下沉—懸臂—垮落”的周期來壓循環過程，工作面支架和前方煤體承擔著大部分上覆巖層自重。工作面前方煤體在超前支承壓力的作用下產生變形，同時受頂板變形、回轉下沉的擠壓進一步發生松動變形，甚至發生破壞[4]. 因此，在工作面揭露這部分煤體時，特別是支護不及時、采動影響較大時，便會造成煤壁大塊煤體脫落的片幫現象，同時還會伴隨頂板垮落的冒頂現象。尤其當工作面前方存在構造區時，便會造成大面積片幫、冒頂事故。

2.2 注漿加固機理及注漿時機選取

隨著注漿加固材料的多元化、注漿技術的不斷進步，煤巖體注漿加固已成為巷道圍巖控制、工作面片幫防治的重要手段。其注漿加固機理主要體現在：提高破碎煤巖體弱面的黏聚力和內摩擦角，增大煤巖體間的位移阻力；漿液凝固后使得原本破碎的煤巖體重新膠結，再次形成了具有一定承載能力的承載結構；注漿加固后，封閉了破碎煤巖體的裂隙，防止地下水、空氣等的進入，保證煤巖體不受水氣因素的侵蝕、風化影響。

工作面超前支承壓力和采動的影響，使得煤巖體裂隙發育、孔隙率增加，這為注漿材料漿液的填充提供了通道，為注漿加固提高破碎巖體的強度提供可能。反之，如果煤巖體裂隙不發育、孔隙率過小，漿液無法擴散，將會造成注漿加固工程的失敗。因此，在實施注漿加固時，注漿時機的選取尤為重要。

注漿時機選取應根據超前支承壓力分布特征、裂隙發育特征以及可注性分析確定。趙莊礦1307工作面超前支承壓力的影響范圍約為工作面前方55 m，劇烈影響范圍約為工作面前方20 m，峰值位置約為工作面前方8 m處，見圖2.

圖2 1307大采高工作面超前支承壓力分區特征圖

超前支承壓力區按照應力值大小，可以分為4個區域，各區域裂隙發育情況及煤體可注性分析見表1.

表1 工作面超前區域裂隙發育及煤體可注性分析表

由表1可以看出，工作面前方20 m以內容易從工作面漏漿；工作面前方55 m以外裂隙不發育，可注性極差，均不適宜注漿。工作面前方20～55 m較為適合，在超前支撐壓力作用下裂隙較為發育，漿液擴散性較好，此時注漿可以明顯提高注漿效果。由于裂隙不斷發育，因此在此范圍內注漿越晚越好，最佳注漿時機確定為工作面前方20～40 m.

3 注漿方案設計

3.1 鉆孔設計及參數

在13071巷、13072巷中沿巷道走向各進行60 m范圍的深孔注漿加固，在13071巷中布置鉆孔的起始位置為距工作面320 m，在13072巷中布置鉆孔的起始位置為距工作面200 m，鉆孔提前布置，注漿隨工作面推進，到達最佳注漿時機時再進行注漿。各巷中均布置兩排鉆孔，鉆孔深度約115 m，鉆孔孔徑75 mm，每排鉆孔空間間距10 m，鉆孔覆蓋范圍均為60 m，鉆孔“三花眼”布置，下排鉆孔開孔位置距巷道底板2.5 m，鉆孔仰角1°，上排鉆孔開孔位置距巷道底板5.5 m，鉆孔仰角2°，鉆孔施工需架設平臺。具體鉆孔布置示意圖見圖3，圖4.

圖3 鉆孔布置剖面圖

圖4 鉆孔布置平面圖

3.2 注漿加固材料

深孔注漿材料為晉煤技術研究院研發的聯邦加固I號，該材料為單液注漿材料，水灰比為0.6，材料流動性好，能夠滿足深孔較長時間擴散；細度高，在細微裂隙中運動不會因物料顆粒大而出現水、料分離現象；材料擴散范圍大，漿液滲透半徑達5～8 m，能確保工程質量；材料強度高、增長快，1 d抗壓強度19 MPa，3 d抗壓強度28 MPa，7 d抗壓強度32 MPa.

深孔注漿的封孔材料選用聯邦加固Ⅰ號(雙液)材料，是一種新型雙液無機注漿材料。該封孔材料具備快凝、早強、高滲透性、結石率高等特性。兩種漿液在混合前，6 h內漿液不凝固、不泌水、不沉淀；兩種漿液混合后，0～5 min失去流動性，5～15 min完全固化，1 h煤體固結抗壓強度5.2～5.8 MPa，滿足深孔注漿加固工程中的封孔需求。

3.3 注漿設備

注漿系統由兩個氣動攪拌桶QB260，1個盛漿桶，1臺ZBYSB190/32-55型的雙液液壓注漿泵以及相應的管路和混合器組成。兩個攪拌桶預制漿液后交替向盛漿桶內放漿，保證漿液充足，之后漿液由注漿泵送至注漿區域。深孔封孔時將單液注漿材料換為雙液封孔材料即可。深孔的注漿壓力一般情況下為20～25 MPa，圍巖破碎，漏漿嚴重時可適當減低注漿壓力，可調整為15～20 MPa. 深孔的注漿壓力一般根據注漿速率調整泵壓。注漿設備及流程見圖5.

圖5 注漿設備流程圖

3.4 工程效果檢驗

3.4.1注漿量

13071巷共實施13個深孔，鉆孔進尺1 495 m，消耗注漿材料250 t，平均單孔注漿量19.2 t，最大單孔注漿量30 t.

13072巷共實施13個深孔，鉆孔進尺1 495 m，消耗注漿材料225 t，平均單孔注漿量17.3 t，最大單孔注漿量25 t.

3.4.2效果考察

1) 注漿完畢后，開始回采1307工作面，大部分區域煤壁平直、頂板完好，工作面經過60 m注漿區域，共發生小范圍片幫、漏頂12架次，最大片幫深度不超過1.5 m，最大漏頂高度不超過1 m，與類似條件未注漿的1306工作面對比，1306工作面通過60 m構造區，共發生片幫、漏頂44余次，事故率降低73%.

2) 1307工作面經過60 m注漿區域，共使用化學漿440桶，而類似條件未注漿的1306工作面推進相同長度，使用化學漿2 400桶，化學漿使用量減少82%.

3) 1307工作面經過60 m注漿區域用時12 d，而類似條件未注漿的1306工作面推進60 m用時30 d，推進速度提高60%.

4 結 論

1) 依據趙莊礦1307工作面超前支承壓力分布特征以及煤體可注性，分析了合理注漿時機，認為工作面前方20～55 m為適合注漿的區域，進一步確定最佳注漿時機為工作面前方20～40 m.

2) 深孔注漿材料選用聯邦加固I號(單液)材料，具備超細、高滲特性，能夠在深孔中充分擴散；封孔材料選擇聯邦加固Ⅰ號(雙液)材料，具備速凝、早強特性，滿足快速封孔需要。

3) 將1307工作面實施60 m注漿加固區域，與類似條件未注漿的1306工作面推進60 m相比，片幫冒頂次數減少73%，化學漿使用減少82%，工作面推進速度提高60%，超前深孔注漿加固效果明顯。