大采高工作面末采注漿加固技術應用

李學才

(晉城煤業集團 趙莊煤業，山西 晉城 048000)

大采高工作面的末采工作是礦井安全生產的重要環節之一。趙莊煤業5301工作面末采到最后10 m時，工作面中部發生片幫、冒頂，破碎矸石壓架，并迅速擴大至整個工作面，大塊矸石填滿整個回采空間，最終處理耗時20天，消耗化學漿80 t，造成嚴重損失。以往對大采高工作面末采注漿重視程度不夠，對煤柱破壞規律、注漿材料、注漿時機、注漿工藝研究較少。5303工作面與5301工作面相鄰，地質條件類似，為防止5303工作面末采時出現類似情況，對5303工作面進行末采注漿加固，以防止工作面片幫、冒頂，保障順利撤架。

1 工程概況

5303大采高綜采工作面位于趙莊礦東五盤區，工作面開采3#煤層，煤層平均厚度5.9 m，一次采全高，煤層底板標高+275～+326 m，地面標高+560～+699 m，工作面傾斜長度為221 m，走向長度為1 334 m. 布置53031、53032、53033三條順槽，53031、53032為進風巷，53032為回風巷，在停采線提前掘出撤架通道。工作面與巷道位置關系見圖1. 工作面正常平均推進速度8 m/d.

圖1 5303工作面與巷道位置關系圖

2 末采深孔注漿加固機理分析

2.1 大采高工作面末采片幫機理分析

煤壁片幫是煤體在礦山壓力作用下，煤體破碎后滑塌下來的一種礦壓顯現現象。由于大采高工作面采高大、礦壓顯現劇烈，煤壁自穩性較差。末采階段隨著回采進行，臨近撤架通道，煤柱變薄，應力集中程度增高，煤壁大多已處于破碎狀態，其承載能力已經很小甚至已經沒有承載能力。由于所處位置以及生產工藝的限制，難以給煤壁施加圍壓，即無法使其處于三向受壓狀態，在煤壁附近的煤體處于二向應力狀態甚至單向應力狀態，其支撐能力大幅降低，煤體上的支承壓力通常超過煤體極限強度，由于支承壓力的增加或煤體強度的降低均會導致該區煤壁外鼓量的增加，從而導致煤壁片幫[1-2].

2.2 5303大采高工作面超前支承壓力分布規律

采用現場實測方式確定超前支承壓力。在53031巷和53033巷內，超前工作面100 m位置各布置兩根單體柱，安裝YHY60數顯式礦用本安型數字壓力計，配套手持式采集器定期采集。隨著工作面推進，數字壓力計會自動記錄工作面前方0～100 m頂板壓力數據，對采集數據進行匯總，部分數據見表1，繪制超前支承壓力分布曲線，見圖2.

由表1可以看出，工作面超前支承壓力影響范圍為工作面前方0～65 m，0～4 m為應力降低區，4～65 m為應力升高區，65 m以外為原巖應力區。

表1 頂板壓力數據統計表(部分)

圖2 5303工作面超前支承壓力分布曲線圖

2.3 裂隙發育及合理注漿區域分析

根據5303工作面超前支承壓力分布規律可知，工作面前方65 m以外原巖應力區裂隙不發育，注漿量小、注漿壓力大，不適宜注漿；工作面前方0～20 m煤體較為破碎，裂隙十分發育，且裂隙導通工作面煤壁，容易發生煤壁漏漿，也不適宜作為注漿區域；工作面前方20～65 m較適合作為注漿區域，而裂隙主要發育在進入工作面前方50 m以內，因此，進一步確定合理注漿區域為工作面前方20～50 m.

3 注漿加固方案設計

3.1 鉆孔布置原則

1) 注漿區域。依據超前支承壓力分布規律以及以往的末采片幫、冒頂觀測經驗，確定加固范圍為最后階段30 m煤柱，在撤架通道內向工作面方向施工鉆孔，進行覆蓋式布置。

2) 鉆孔層位。基礎布置為上下兩排，上排孔加固煤壁與頂板交界位置，帶一定仰角，終孔位置在頂板上方1～2 m，下排孔加固煤壁中上部，終孔位置在頂板下方1.5 m.

3) 鉆孔間排距。現場打孔注漿，測試擴散半徑，不少于3個測試孔，依據測試結果確定鉆孔間排距，保障漿液充分擴散，現場測試漿液有效擴散半徑約3 m.

4) 提前打孔、封孔。為防止施工緊張，提前布置所有鉆孔，并進行封孔，當工作面距離撤架通道剩余50 m時，鉆孔進入合理注漿區域，工作面暫時停采，給出2～3 d注漿時間，注漿完畢后工作面繼續向前回采。

3.2 鉆孔布置方式

鉆孔可以選擇在兩巷布置，或在撤架通道內布置，也可以配合布置。經綜合比較，認為在撤架通道內施工鉆孔，鉆孔深度較短，鉆孔軌跡不容易發生偏離，且撤架通道空間充足、無障礙物，便于鉆機和注漿設備施工，而兩巷有皮帶、設備列車，因此選定在撤架通道內實施30 m鉆孔，對末采階段最后30 m煤體進行覆蓋式布置，從撤架通道內施工鉆孔，見圖3.

圖3 鉆孔布置俯視圖

鉆孔參數。撤架通道高度5 m，下排孔和上排孔“三花”布置，間距均為4 m，下排鉆孔開孔高度距離頂板1.5 m，仰角0°，孔深30 m，上排孔開孔高度距離頂板0.8 m，仰角5°，孔深30 m，孔徑均為75 mm，見圖4.

圖4 深孔鉆孔布置示意圖

3.3 超細水泥深孔注漿材料

采用超細水泥深孔注漿，使用水灰比0.6∶1，其主要性能如下：

1) 超細，懸浮、滲透性好。細度超過1 200目，是普通水泥的4倍以上，一方面使漿液更加均勻，懸浮性好，不會出現離析泌水現象，可以進入微小裂隙，擴散滲透性能好，另一方面提高了水泥活性，大幅提高凝結和強度增長速度[3].

2) 強度增長快，減少停采時間。由于現場需要工作面距離撤架通道50 m停采進行注漿作業，注漿一般耗時2～3 d，然后進行回采，工作面正常推進速度10 m/d，通過20 m隔離防漏漿煤柱僅需2 d，即距離工作面最近的注漿區域僅有2～3 d的材料強度增長時間。材料經過超細化后，1 d可以達到16 MPa以上，3 d可以達到26 MPa以上，滿足了工作面快速推進的要求。

3.4 注漿設備工藝

該次末采注漿選用的注漿泵為ZBYSB100/20-18.5型液壓注漿泵，該泵適合高壓力、大排量注漿封堵工程，適用于深孔注漿工程；采用QB260氣動攪拌桶、盛漿桶。末采注漿提倡高壓注漿，輔助漿液更好擴散，一般注漿終止壓力不低于12 MPa.

4 工程量及效果考察效果

4.1 工程量

共實施111個30 m鉆孔，鉆孔工程量3 330 m，累計注漿量177.6 t，平均單孔注漿量1.6 t，最大單孔注漿量5 t，平均注漿壓力15 MPa.

4.2 效果考察

工作面推過末采注漿區域，可見大量漿液擴散痕跡，煤壁平直，頂板良好，未發生片幫、冒頂現象，安全通過末采區域順利撤架，未使用化學漿，通過最后20 m僅用3天，見圖5a)，而5301工作面末采時情況見圖5b).

圖5 工作面末采實景對比圖

5 結 論

1) 現場實測確定超前支承壓力影響范圍為0～65 m，通過裂隙發育程度和可注性分析，認為合理注漿區域在工作面前方20～50 m.

2) 制定撤架通道深孔注漿方案，確定提前打孔、合理注漿區域的注漿方式，鉆孔布置層位控制煤壁中上部和頂板。

3) 超細水泥深孔注漿材料具備超細、強度快速增長特性，滿足漿液充分擴散和工作面快速推進需求。

4) 效果考察表明，共消耗177.6 t注漿材料，平均單孔注漿量1.6 t，5303工作面僅耗時3 d，安全快速通過末采20 m區域，未發生片幫、冒頂現象。