寺河礦5303大采高末采工作面深孔注漿加固技術

侯璐擁

(晉城煤業集團 寺河礦， 山西 晉城 048000)

目前，大采高技術在晉城煤業集團已得到了較為廣泛的應用，但大采高工作面推進速度快、開采強度高、礦壓顯現劇烈，造成工作面采場及巷道圍巖難以控制。尤其在末采階段，工序增加、推進速度變慢、煤層及巷道圍巖應力增大，以致工作面煤壁片幫漏頂現象頻繁發生，同時回采巷道煤幫變形也較為嚴重。工作面片幫、漏頂影響了工作面的推進速度，影響正常生產，甚至會引發安全事故[1-3]. 因此，對于大采高工作面末采防片幫漏頂技術的研究十分必要，對寺河礦5303大采高工作面末采階段片幫、冒頂情況進行治理，以使工作面安全、快速推進，保證正常生產。

1 工程概況

5303大采高綜采工作面位于寺河礦東五盤區，工作面開采3#煤層，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，煤層平均厚度5.9 m，平均傾角3°. 該工作面共布置5條順槽，采用“三進兩回”U型通風系統，工作面順槽沿煤層底板布置。工作面南為53031巷(主進風巷及列車巷)、53035巷(主進風巷及輔運巷)，北為53033巷(輔助進風巷及皮帶巷)、53032巷(回風巷)、53034巷(回風巷)。工作面巷道布置平面圖見圖1.

圖1 工作面布置平面圖

2 大采高工作面末采階段片幫機理分析

2.1 片幫機理分析

大采高工作面煤壁片幫、冒頂的影響因素很多，煤體自身物理力學性質、采煤高度、支架阻力、工作面推進速度及方向都會引起煤壁片幫。對于特定條件下的煤體，煤體強度越高，煤體的穩定性就越好；而對于大采高工作面，大采高加大了采空區頂板下沉的空間，頂板壓力也隨之增加，導致煤體及圍巖裂隙發育；回采過程中礦山壓力主要作用在支架和煤壁上，但由于圍巖發育，導致支架接頂不實，大部分壓力由煤壁承擔，進一步導致裂隙發育，形成片幫、冒頂。尤其工作面處于末采階段，工作面采動應力集中，礦壓顯現強烈，更容易引起煤壁片幫，甚至冒頂。

2.2 片幫治理思路

通過現場經驗可知，大采高綜采面煤壁破壞形式主要以拉裂破壞和剪切破壞為主，無論哪種破壞形式，主要是由于煤體自身力學性質及覆巖頂板的壓力所引起的，而簡單提高支架的支護阻力難以避免煤壁片幫、冒頂的發生。因此，為了有效防止工作面煤壁片幫，需要加強煤體自身的力學性質。

通過對煤體進行注漿加固，固結破碎煤體、提高煤巖整體性，進而增強破碎煤體強度是目前提高煤體自身力學性質的有效方法。針對工作面末采階段，在工作面超前支承應力區域進行深孔注漿，使其煤體保證一定整體性，為工作面末采階段快速、安全推進提供可能。

3 末采深孔注漿加固方案設計

3.1 鉆孔設計思路

大采高工作面末采深孔注漿方案的基本思路為：

1) 提前成孔、插管、封孔。提前在末采區域實施深孔鉆進，甚至可以在工作面準備期間實施注漿鉆孔，插入注漿管，并封孔。

2) 注漿鉆孔進入超前支承壓力影響區后實施注漿。

3) 保證鉆孔終孔位置在機采高度范圍，使注漿液擴散在煤體中。

4) 可以將末采深孔注漿鉆孔和瓦斯抽采鉆孔統一，即提前鉆進成孔、插管、封孔后，先作為瓦斯抽采鉆孔，待末采時期可以作為注漿鉆孔。

3.2 鉆孔布置參數

鉆孔設計依據工作面煤層及覆巖的物理力學參數及煤巖層接觸面力學參數，見表1.

表1 覆巖巖層物理力學參數表

根據工作面圍巖情況及相關參數進行注漿鉆孔設計，分別從53031巷和53033巷向煤體側布置鉆孔注漿。在53031巷幫施工兩排鉆孔，下排鉆孔開孔高度1.5 m，上排鉆孔開孔高度2.5 m；上排孔孔間距6 m，下排孔間距6 m，上下排孔成“三花”布置，上下排孔間距1 m；下排孔垂直煤壁施工，仰角為0°，孔深105 m，上排孔為上仰鉆孔，終孔位置距煤層頂板0.5 m，鉆孔上仰角度約2.5°，孔深約105 m；每條巷道內上排鉆孔施工9個，下排鉆孔施工9個，合計施工18個深孔。53033巷參數同上。鉆孔布置見圖2，圖3.

圖2 工作面兩順槽注漿鉆孔布置平視圖

圖3 工作面兩順槽注漿鉆孔布置側視圖

4 注漿材料及其工藝

4.1 注漿材料選取

深孔注漿材料為聯邦加固I號，該材料為單液注漿材料，材料在加水攪拌后30～40 min流動性較好，2～3 h完全失去流動性，滿足短時間存放及泵送、深孔較長時間擴散的要求，超細水泥顆粒的存在使漿液能夠進入較小裂隙，改善加固效果；材料凝結后10～12 h完全硬化，1天單軸抗壓強度可達20 MPa，不同齡期單軸抗壓強度見表2.

表2 聯邦加固I號(單液)注漿材料不同水灰比抗壓強度表

注漿材料選取原則：由于現場工作面采高大、采煤效率高、鉆孔長，因此對材料的流動性、凝結時間、硬化時間等指標都有較高的要求，綜合考慮深孔注漿材料的流動度、凝結時間、硬化時間以及早期強度等參數，確定水灰比為0.8.

4.2 注漿工藝

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。注漿設備主要包括QB260氣動攪拌桶、盛漿桶、ZBYSB100/20-18.5型液壓注漿泵和輸漿管路等。深孔的注漿壓力一般情況下為4～10 MPa，根據注漿速率調整泵壓。該次末采注漿壓力最高達到15 MPa，最低為5 MPa. 其設備組成和布置見圖4.

在實際注漿過程中，鉆孔之間存在溝通裂隙，可能會發生串孔、漏漿等現象，需要停泵一段時間再注，或者幾個孔來回換注，用棉紗將漏漿孔縫隙堵住，保證注漿效果。

5 工程效果

1) 該次末采注漿共使用注漿材料187.25 t，其中30 m孔共注5 180袋，15 m孔共注266袋，78 m孔共注1 344袋，20 m孔共注700袋，合計7 490袋。現場拌料水灰比采用0.8，故注進煤壁中的漿液共計312.08 t.

圖4 深孔注漿設備及布置圖

2) 主撤巷道和53031巷進入到超前支承壓力區時變形量加劇，選在此時進行注漿。通過后期監測發現，巷道兩幫移近量明顯減緩。

3) 工作面在向主撤巷道推進的過程中，片幫的數量以及深度呈增加趨勢，這是由于煤柱變薄，承載能力降低，無法避免。但整體上煤壁保持平整，注漿加固效果顯著。

4) 工作面最后40 m僅用了5天時間便全部回采完畢，使設備安全進入回撤巷道，在保證安全的同時實現了工作面與主撤巷道的快速貫通。

6 結 論

1) 通過分析大采高工作面末采階段片幫、冒頂機理，提出了提高煤巖體自身力學性質改善煤壁裂隙發育，以有效避免片幫、冒頂情況的發生。

2) 采用深孔注漿的方式對工作面末采階段超前支承應力區進行深孔注漿加固，改善煤巖體力學性質；根據末采工作面實際地質情況，設計鉆孔布置及其參數，保證注漿效果；同時依據深孔注漿對注漿材料的需求，選用流動性好、擴散性強、強度大的高性能單液注漿材料。

3) 經過注漿加固后的末采工作面，煤壁片幫得到有效治理，煤壁整體較平整，注漿加固效果顯著。