寺河礦大采高工作面三角區(qū)注漿加固技術(shù)研究

馬晉元

（山西晉煤集團(tuán)寺河礦，山西 晉城 048000）

山西晉煤集團(tuán)寺河礦為一次采全高大采高工作面，采高達(dá)6.6 m，工作面長(zhǎng)達(dá)300 m，日推進(jìn)距離長(zhǎng)達(dá)15 m，開采強(qiáng)度較大，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，煤壁片幫、冒頂嚴(yán)重。由于受二次采動(dòng)影響，巷道與工作面高差形成的三角區(qū)破碎較為嚴(yán)重，威脅該礦安全生產(chǎn)。而三角區(qū)注漿加固是確保大采高工作面安全開采的有效措施[1-2]，通過(guò)對(duì)三角區(qū)破碎煤體注漿，提高破碎煤體的整體性，增強(qiáng)其承載能力，從而提高該區(qū)域的開采速度，保證安全回采作業(yè)[3]。

1 工程概況

寺河礦1308 大采高綜采工作面位于東一盤區(qū)，西為回采完畢的1307 工作面，北為南河灘煤礦，南為東一盤區(qū)北翼膠帶巷。1308 工作面采用“兩進(jìn)一回”的通風(fēng)方式，13081 巷和13083 巷為進(jìn)風(fēng)巷，兼作輔助運(yùn)輸巷，13082 巷為回風(fēng)巷，見圖1。1308 大采高工作面為一次采全高，開采高度6.2 m，而13081 巷高度為3.8 m，工作面端頭與巷道相鄰區(qū)域?yàn)榕_(tái)階狀，使工作面端頭區(qū)域煤體穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。在端頭區(qū)內(nèi)，由于應(yīng)力集中，出現(xiàn)煤壁片幫現(xiàn)象，給工作面頂板控制帶來(lái)困難。工作面端頭及三角區(qū)示意圖見圖2。

圖1 工作面布置圖

2 三角區(qū)變形破壞規(guī)律與注漿時(shí)機(jī)選擇

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，會(huì)在工作面前方形成超前支承壓力區(qū)。在該區(qū)域范圍內(nèi)，煤巖體會(huì)由于超前支承壓力的作用產(chǎn)生變形甚至破壞形成貫通裂隙，這為注漿加固提供可能[4-5]。研究該區(qū)域范圍與工作面的推進(jìn)關(guān)系可以為注漿加固提供理論依據(jù)，進(jìn)行合理注漿。

2.1 工作面超前支承壓力分布規(guī)律

通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立地質(zhì)模型，模擬工作面推進(jìn)不同距離后超前支承壓力范圍大小。工作面煤層及覆巖物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示，工作面推進(jìn)距離與超前支承壓力變化曲線計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖2 工作面端頭及三角區(qū)示意圖

表1 覆巖巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 超前支承壓力隨工作面推進(jìn)變化曲線

從圖中可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，工作面前方形成了明顯的支承壓力區(qū)。推進(jìn)距離越大，超前支承壓力峰值強(qiáng)度逐漸增加，但達(dá)到峰值時(shí)距工作面煤壁的距離大致相同，均在8 m 左右。超前支承壓力影響范圍為工作面前方30 m，其中劇烈影響范圍為工作面前方5～25 m。

2.2 合理注漿區(qū)域與注漿時(shí)機(jī)選擇

由以上超前支承壓力分布規(guī)律可得，在工作面前方5～25 m 范圍內(nèi)煤巖體會(huì)受到超過(guò)原巖應(yīng)力的支承壓力作用，煤巖體將出現(xiàn)裂隙，產(chǎn)生大變形。在該裂隙貫通區(qū)域內(nèi)注漿可大幅度提高注漿量，優(yōu)化注漿效果，固結(jié)破碎煤巖體，從而提高煤體的承載能力。因此，合理注漿區(qū)域確定為工作面前方5～25 m 范圍，注漿時(shí)機(jī)應(yīng)控制在工作面前方5 m 左右。

3 注漿加固方案設(shè)計(jì)

3.1 注漿鉆孔布置及參數(shù)

受支承壓力的影響，煤體不同范圍內(nèi)的破碎程度有所不同，需對(duì)淺部破碎較為嚴(yán)重的煤體進(jìn)行加固，使破碎煤體重新固結(jié)，提高其承載能力；而對(duì)深部破裂程度較小的煤體，注漿加固后提高煤體的整體強(qiáng)度。因此，設(shè)計(jì)在煤體中進(jìn)行淺孔及深孔聯(lián)合注漿加固。注漿鉆孔布置見圖4。其中，淺孔開孔高度距離巷道底板2.5 m，深孔開孔高度距離巷道底板1.5 m，相鄰兩個(gè)鉆孔（深、淺孔）的開孔位置沿水平方向的距離為3 m，相鄰兩個(gè)淺孔（或深孔）開孔位置沿水平方向的距離為6m。淺孔施工長(zhǎng)度為6 m，鉆孔直徑為42 mm，仰角為40°；深孔施工長(zhǎng)度為12 m，鉆孔直徑為42 mm，仰角為30°。

圖4 鉆孔布置圖

3.2 注漿加固材料

注漿加固材料選擇山西晉煤技術(shù)研究院研發(fā)的聯(lián)邦加固Ⅰ號(hào)。該材料為雙液注漿材料，兩種漿液在混合前6 h 內(nèi)漿液不凝固、不泌水、不沉淀，混合后0～5 min 失去流動(dòng)性，5～15 min 完全固化，1 h 煤體固結(jié)抗壓強(qiáng)度5.2～5.8 MPa，抗剪強(qiáng)度1.3～1.7 MPa，4 h 煤體固結(jié)抗壓強(qiáng)度為8.5～10.1 MPa，抗剪強(qiáng)度為1.6～1.9 MPa，8 h 煤體固結(jié)抗壓強(qiáng)度11.8～12.9 MPa，抗剪強(qiáng)度2.5～2.8 MPa，粘結(jié)強(qiáng)度在2 MPa 以上。漿液在0.5～2:1 水灰比下漿體結(jié)石率可達(dá)100%，漿液擴(kuò)散范圍廣，擴(kuò)散半徑可達(dá)3～6 m，試樣2 h 的強(qiáng)度能達(dá)到8～15 MPa 以上。不同水灰比條件下凈漿固結(jié)強(qiáng)度如表2 所示。

表2 聯(lián)邦加固Ⅰ號(hào)雙液注漿材料抗壓強(qiáng)度對(duì)比

4 工程效果檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)破碎圍巖經(jīng)過(guò)注漿后的加固效果，對(duì)注漿加固區(qū)域和未注漿加固區(qū)域的巷道圍巖變形進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)。在13081 巷注漿加固區(qū)域和非注漿區(qū)域布置了10 個(gè)巷道變形觀測(cè)站，其中在360～660 m 處的加固段布置測(cè)點(diǎn)4 個(gè)，相鄰間距為8 m；在0～360 m處的未加固段布置測(cè)點(diǎn)6 個(gè)，相鄰測(cè)點(diǎn)間距同樣為8 m。現(xiàn)選取注漿和未注漿區(qū)域內(nèi)兩個(gè)典型測(cè)點(diǎn)巷道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其巷道斷面圍巖位移曲線見圖5。

圖5 測(cè)點(diǎn)巷道圍巖位移曲線

從圖中曲線對(duì)比可以看出：在非注漿段，工作面回采到與測(cè)點(diǎn)距離約120 m 時(shí)，巷道開始受采動(dòng)影響產(chǎn)生形變；工作面推進(jìn)到與測(cè)點(diǎn)距離約80～100 m時(shí)，巷道變形劇烈。經(jīng)過(guò)注漿加固后，工作面回采到與測(cè)點(diǎn)距離約150 m 時(shí)，巷道開始受采動(dòng)影響產(chǎn)生形變；工作面推進(jìn)到與測(cè)點(diǎn)距離約50～60 m 時(shí)，巷道變形劇烈。未注漿段受工作面回采的動(dòng)壓影響比注漿段超前。同時(shí)，在巷道的變形程度方面，經(jīng)過(guò)注漿加固后的巷道變形量明顯低于未注漿加固區(qū)域，注漿加固后的巷道底板和兩幫移近平均變形量較未注漿降低了31.2%和33.3%，表明注漿加固后煤巖體的整體性得到大大提高，提升了煤巖體的整體性和穩(wěn)定性，從而保證工作面三角區(qū)安全、高效的回采。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬分析，探究了工作面超前支承壓力影響范圍。超前支承壓力影響范圍為工作面前方30 m，其中劇烈影響范圍為工作面前方5～25 m。由此確定了合理注漿范圍和注漿時(shí)機(jī)，即隨工作面推進(jìn)，應(yīng)在工作面前方5～25 m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固。

（2）根據(jù)煤巖體破壞程度，設(shè)計(jì)了淺孔和深孔聯(lián)合注漿加固方案，選用了高性能注漿加固材料，對(duì)工作面煤體進(jìn)行注漿加固。

（3）為對(duì)注漿加固前后效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，在注漿和未注漿區(qū)域進(jìn)行巷道位移監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過(guò)注漿加固后的巷道位移量明顯低于未注漿加固區(qū)域，其受動(dòng)壓影響滯后于未注漿加固區(qū)域；注漿加固后的煤巖體承載能力得到明顯提高，保證工作面三角區(qū)的安全回采。