注漿充填加固技術在煤礦采場圍巖控制中的應用

彭 博 孫 超 楊茂霖 郭 煜 陳 梁

(1. 四川省煤炭產業集團有限公司技術中心，四川省成都市，610091；2.重慶大學資源與安全學院，重慶市沙坪壩區，400044；3.四川廣旺能源發展(集團)有限責任公司，四川省廣元市，628017；4.四川華鎣山龍灘煤電有限責任公司，四川省廣安市，638020)

目前，就西南地區煤層井工開采條件來看，工作面頂板冒落、工作面頂板破碎、工作面底板下滑是制約工作面正常推進的重要因素。處理冒頂、碎頂、滑底的方法主要有注漿法、木垛法、搭棚法、硬過法、錨固法等，其中注漿充填加固方法是處理工作面冒頂、碎頂、滑底效果最有效的方法，而如何進行注漿材料選擇、怎樣設計注漿工藝參數則是亟需解決的問題。就川煤集團現狀而言，注漿加固技術在現場的應用較多，但是沒有一套成型的技術規范做引導，也沒有成熟的理論做支撐。從注漿材料的發展來看，19世紀后期硅酸鹽水泥得到推廣應用，20世紀中葉水玻璃、脲醛樹脂等化學注漿材料問世，進入21世紀后高分子注漿材料成了主流[1-2]。就川煤集團現場應用情況來看，反應快、強度高、綠色環保、黏結力強、經濟適用的高分子注漿材料是馬麗散、科力安和波雷音。主要從理論方面分析了注漿充填加固機理，比較不同注漿材料的優缺點及經濟性，運用數值模擬軟件驗證了注漿充填加固的科學性，并分別在冒頂、碎頂、滑底工作面試驗了注漿充填加固技術，優選注漿充填加固材料、設計注漿工藝參數、制定注漿方式方法、觀測礦壓變化，并形成工作面治理冒頂、碎頂、滑底災害的技術規范，為現場應用提供行動指南，保障工人安全，實現高產高效。

1 注漿充填加固機理

采用注漿等方法進行地質體改造是維護巷道穩定的一種主動方法，由于注漿具有良好封閉性，使其成為控制巷道變形的關鍵手段。注漿是借助于外力把漿液注入到巖體中，產生充填、擠壓、壓密、固結、封堵的作用，形成強度高、抗滲性好、穩定性強的密實結構體，從而達到改善巖體物理力學性質的目的。它能夠通過改善局部圍巖的力學性能，充分調動圍巖自身強度進行自組織支護，保持圍巖穩定。注漿作為改善巖體性質的重要技術，能對巖體進行加固或改性，使一定范圍內的巖體成為工程結構不可分割的一部分，充分挖掘巖體的承載潛力。

從力學原理和巖體破壞機制的角度，可以認為巖體注漿加固與封閉主要有以下作用機理：

(1)漿液在泵壓、自身膨脹壓力以及微裂隙的吸滲作用下，擠壓或滲透到巖體的裂隙中，反應固結，以固體的形式充填在裂隙中，這些充填材料在巖體內形成縱橫交錯的網絡狀骨架結構；

(2)通過注漿可以改善弱面的力學性能，提高裂隙的粘聚力和內摩擦角，增大巖體內部塊體間相對位移的阻力，從而提高圍巖的整體穩定性；

(3)漿液在將一些較大的裂隙充填滿的同時將一些充填不到的封閉裂隙和小裂隙擠壓，甚至使其閉合，從而對巖體整體起壓密作用，提高圍巖的彈性模量、強度和密實度；

(4)利用漿液充填圍巖裂隙，配合錨噴支護，充分發揮錨桿的作用，大大減少失錨現象，因此能承受更大的荷載，提高支護結構的承載能力，擴大支護結構的有效承載范圍，強化支護結構的整體性，改善支護結構的適應性[3-9]。

2 頂底板注漿充填加固技術數值模擬

以川煤集團唐家河煤礦1813工作面為例建模[10]，分別模擬頂板冒落、頂板破碎、滑底現象在注漿充填加固技術前后的應力分布及位移量分布，模型巖石物理力學參數見表1。

表1 模型巖層物理力學參數

2.1 頂板冒落注漿前后數值模擬

根據現場情況，模擬1813工作面頂板冒落5 m及頂板注漿充填加固情況。分析注漿充填前后垂向應力分布及垂向位移分布，結果如圖1和表2所示。

由圖1和表2可知，頂板注漿對冒落區頂板應力值起到了應力集中作用，但是效果不甚明顯。

2.2 破碎頂板注漿前后數值模擬

根據現場情況，模擬工作面破碎頂板及頂板注漿充填加固情況。分析碎頂工作面注漿充填前后垂向應力分布及垂向位移分布，如圖2和表3所示。

圖1 冒頂工作面注漿前后數值模擬分析

表2 工作面冒頂注漿前后頂底板參數比較

圖2 碎頂工作面注漿前后數值模擬分析

表3 破碎頂板注漿前后頂底板參數比較

由圖2和表3可知，注漿對破碎頂板的應力控制有明顯效果，且能很好地控制頂板下沉量及下沉范圍。

2.3 軟弱底板注漿前后數值模擬

根據現場情況，模擬軟弱底板工作面及底板注漿充填加固情況。分析軟底工作面注漿充填前后垂向應力分布及垂向位移分布，如圖3和表4所示。

由圖3和表4可知，底板注漿能有效抑制軟底開采底板底鼓，能大大減小底鼓范圍，并且對頂板應力值有一定的影響。

表4 軟底開采注漿前后頂底板參數比較

圖3 軟底工作面注漿前后數值模擬分析

3 注漿充填加固技術在現場的應用

3.1 注漿充填加固技術在冒頂區的應用

3.1.1 現場情況

唐家河1813綜采面100-72#支架段因煤壁不同程度的片幫導致了頂板大面積的冒落。從100-80#支架發生頂板冒落，冒落高度達8～10 m，該段片幫寬度為6～8 m；80-72#支架煤壁片幫3.5 m，冒落高度2.0 m。由于采煤機從下至上牽引在采煤機上搖臂在88#支架、下搖臂在77#支架處，采煤機被垮冒的矸石全部掩埋，無法開動，導致工作面停產。

3.1.2 注漿方案設計

根據現場冒落情況，決定采用人造假頂和充填注漿的方法。

人造假頂布置方案設計如圖4所示，煤壁注漿孔與水平夾角30°，長度8 m；煤線注漿孔與水平夾角60°，注漿孔長度9.3 m；冒落區用鋼梁造假頂，鋼梁呈“井”字型排列，間排距為750 mm×1500 mm，鋼梁用單體支柱支撐；頂梁上方鋪設鋼筋網，需覆蓋整個假頂；預留注漿管與水平方向夾角60°，長度為9.3 m，間距為4 m[11-12]。

圖4 人造假頂布置方案設計

在支架與煤壁之間架設假頂，假頂材料可使用工字鋼梁，間距為750 mm，鋼梁呈“井”字型排列以保持假頂的整體性，在頂板破碎區域須在假頂上方安放鋼筋網，防止碎石滑落傷人。

3.1.3 注漿參數選擇

根據圍巖條件與類似工程經驗，確定注漿終壓為4 MPa。實際施工時通過調整漿液的膠凝速度、滲透性和注漿終壓，保證實際有效擴散半徑不小于2.5 m。加固注漿孔預定每孔注漿量為300～500 kg。

3.1.4 礦壓監測

試驗選取處于垮落區中部的85#綜采支架進行礦壓監測，壓力監測分兩部分進行，結果如圖5所示。

(1)選取從2015年9月8日到2015年9月14日之間的支架壓力數據，期間包括工作面正常推進、推進時支架壓力發生異常、支架完全壓死，涵蓋冒頂片幫整個礦壓過程。

(2)選取從2015年10月15日到2015年10月21日之間的支架壓力數據，期間包括工作面在再造頂板下向前移架以及工作面正常推進過程。

圖5 冒頂期間及假頂推進期間礦壓監測曲線

3.2 注漿充填加固技術在碎頂區的應用

3.2.1 現場情況

代池壩礦3544工作面位于304采區+320～+458 m區段東5#煤層中，工作面走向長度820 m，傾向長度平均166 m，采區內煤層厚度穩定，結構簡單，傾角38°～43°，采面區域為單斜巖層，地質構造較簡單。由于受地質構造及相鄰采區擾動的影響，工作面(61#～73#架)頂板破碎，給回采工作帶來了一定的困難。

3.2.2 注漿方案設計

對工作面頂板進行加固。加固注漿孔分深孔、淺孔兩部分組成，深淺孔交替注漿方案設計如圖6所示。

圖6 深淺孔交替注漿方案設計

(1)深部注漿孔開孔位于頂板下方200 mm布置，孔深7 m，傾角45°，下注漿管6 m，按每隔3臺支架布置1個注漿孔。

(2)淺部注漿孔開孔位于頂板下方200 mm處布置，孔深4～5 m，傾角45°，下注漿管3 m，按每隔3臺支架布置1個注漿孔。

該加固注漿孔呈交錯布置，即深部注漿孔位于淺部注漿孔中間布置，利于達到漿液之間互補作用[13-18]。

3.2.3 注漿參數選擇

根據圍巖條件與類似工程經驗，確定注漿終壓為4 MPa；實際施工時通過調整漿液的膠凝速度、滲透性和注漿終壓，保證實際有效擴散半徑不小于1.5 m；加固注漿孔預定每孔注漿量為150～200 kg。

3.3 注漿充填加固技術在滑底區的應用

3.3.1 現場情況

唐家河煤礦1111綜采工作面底板較軟，開采過程中底板中部41#～65#支架出現不同程度下滑，下滑量最大到2.5 m，針對底板下滑每刀煤炭要進行墊架拉架，嚴重影響正常工序，所以對工作面底板進行注漿加固試驗。

3.3.2 注漿方案設計

根據1111工作面實際情況，軟底注漿孔布置如圖7所示。注漿孔從滑底線上側開始垂直底板打鉆，間距750 mm，長度必須大于最大滑底量2.5 m，且以3.5 m長為宜。注漿孔從支架與刮板運輸機之間空隙處打鉆。

圖7 軟底注漿方案設計

3.3.3 注漿參數選擇

在注漿施工時，注漿材料采用ACZ-1型水泥添加劑，水泥采用42.5#普通硅酸鹽水泥，添加劑用量為水泥重量的4%～6%。漿液水灰比為0.7～1。參考相似礦井相似工作面參數，為使漿液充滿圍巖裂隙充分達到飽和狀態，最佳的注漿壓力為3.0 MPa。單孔注漿時間取為3～5 min[19-20]。

4 結論

(1)通過數值模擬分析可知，注漿對冒落頂板應力值起到了應力集中作用，但是效果不甚明顯；注漿對破碎頂板的應力控制有明顯效果，且能很好地控制頂板下沉量及下沉范圍；注漿能有效抑制軟底開采底板底鼓，能大大減小底鼓范圍，并且對頂板應力值有一定的影響。

(2)對唐家河1813工作面冒落頂板區制定人造假頂、注漿充填方案，設計注漿參數，進行礦壓監測分析，成功度過頂板冒落區，保證礦井高產高效。

(3)對代池壩3544工作面破碎頂板，制定深淺孔交替注漿充填加固方案，設計注漿參數，成功治理破碎頂板，保證作業人員安全。

(4)對唐家河1111工作面滑底，制定底板注漿加固方案，設計注漿參數，成功抑制底板下滑，保證礦井經濟效益。