大采高末采工作面深孔預(yù)注漿加固技術(shù)研究

范建峰

（山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000）

大采高工作面具備推進(jìn)速度快、回采工藝簡單、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢[1]，目前在晉煤集團(tuán)逐漸得到普遍的推廣應(yīng)用。但同時(shí)由于回采速度快、采高大，工作面受采動(dòng)影響劇烈，容易發(fā)生片幫、冒頂事故[2]。特別在工作面末采階段，由于煤柱寬度減少、巷道圍巖應(yīng)力增大等原因，片幫、冒頂現(xiàn)象頻發(fā)，影響大采高末采工作面的正常、安全回采和礦井的生產(chǎn)銜接[3-4]。注漿加固技術(shù)通過對破碎區(qū)域注漿，漿液重新膠結(jié)、固化破碎煤巖體，提高破碎煤巖體承載能力，以達(dá)到治理工作面片幫、冒頂?shù)哪康腫5]。本文以趙莊礦5301 末采工作面為工程背景，分析工作面應(yīng)力變化規(guī)律，對末采工作面展開注漿加固治理技術(shù)研究，為相似工程提供參考經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

5301 大采高工作面開采3 號煤層，平均煤厚6.0 m，傾角5°，工作面傾斜長度300 m，走向長度1550 m。53013 巷作為皮帶運(yùn)輸巷，53011 巷為軌道運(yùn)輸巷，工作面同時(shí)還存在53017 巷和三條橫川等四條空巷，空巷內(nèi)部施工有大量的充填支柱，53017 巷與53013 巷距離260 m。工作面及巷道布置如圖1 所示。工作面在末采階段過空巷，更加大了工作面片幫、冒頂?shù)目赡苄院臀ｋU(xiǎn)系數(shù)，需采取注漿加固技術(shù)進(jìn)行治理。

圖1 5301 工作面布置

2 工作面應(yīng)力分布規(guī)律及合理注漿時(shí)機(jī)選取

工作面推進(jìn)過程中在回采煤壁前方形成超前支承壓力區(qū)，由于受到超前支承壓力的影響，煤巖體受壓破壞，形成大量貫通裂隙。煤巖體貫通裂隙的存在為注漿加固提供可能，優(yōu)化注漿效果，即在超前工作面的裂隙貫通區(qū)域進(jìn)行注漿，提高破碎煤巖體承載能力，保證工作面正常、安全回采。因此，在注漿加固治理前，需提前研究工作面超前支承壓力分布規(guī)律，合理選取注漿加固時(shí)機(jī)。

2.1 工作面超前支承壓力分布規(guī)律

采用十字布點(diǎn)法在工作面53013 巷內(nèi)布點(diǎn)，監(jiān)測巷道圍巖移近量。共布置三個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距為5 m，其中測點(diǎn)1 距工作面煤壁60 m。現(xiàn)選取典型測點(diǎn)1 的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。巷道表面位移速率曲線如圖2 所示。

圖2 道表面位移速率曲線

從圖2 巷道表面移近速率曲線可以看出，巷道在距工作面60 m 以外處表面移近非常緩慢，兩幫移近速率僅為0～3 mm/ d；距工作面煤壁越近，巷道移近速率越大，在距煤壁8～10 m 處巷道移近速率達(dá)到最高。由此表明，工作面超前支承壓力的影響范圍大致在距工作面0～60 m，超前支承壓力峰值距工作面煤壁8～10 m。

2.2 注漿加固時(shí)機(jī)選取

超前支承壓力區(qū)域隨工作面推進(jìn)不斷移動(dòng)，同時(shí)根據(jù)超前支承壓力大小，該移動(dòng)影響區(qū)域具備明顯的分區(qū)特征。在超前支承壓力上升直至達(dá)到峰值階段，煤巖體裂隙逐漸發(fā)育；在超前支承壓力峰值處煤巖體破碎最為嚴(yán)重，可注性好，但對注漿材料強(qiáng)度要求高，同時(shí)裂隙發(fā)育嚴(yán)重，還會造成漏漿問題，注漿加固效果較差；在超前支承壓力峰后降低區(qū)的前期階段，由于工作面末采階段的煤柱變窄，煤巖體受力破碎仍較為嚴(yán)重，同樣存在漏漿嚴(yán)重問題；而在超前應(yīng)力峰后降低區(qū)的后期階段，超前支承壓力有所降低，但仍高于原巖應(yīng)力，該區(qū)域煤巖體處于彈性階段，裂隙開始發(fā)育，具備良好的可注性。

結(jié)合巷道表面移近速率曲線，在距煤壁20 m 處巷道變形速率明顯放緩，煤巖體裂隙發(fā)育程度減弱，因此，將合理注漿時(shí)機(jī)選取在距工作面20～60 m 處。即隨著工作面的推進(jìn)，注漿加固區(qū)域不斷向前移動(dòng)，形成“移動(dòng)注漿”。

3 注漿加固方案設(shè)計(jì)及注漿加固材料

3.1 注漿加固方案

為避免鉆孔施工對53013 皮帶巷造成影響，選擇在5301 末采工作面主撤巷道施工鉆孔。同時(shí)，為減輕過空巷時(shí)異常應(yīng)力對煤壁的影響，在53011巷幫面向煤壁施工鉆孔。

鉆孔具體布置參數(shù)如圖3 所示。其中，在主撤巷道內(nèi)面向工作面施工兩排鉆孔，下排鉆孔開孔高度1.5 m，鉆孔間距5 m，孔深30 m，仰角1°；上排鉆孔開孔高度2.5 m，鉆孔間距5 m，孔深30 m，仰角6°，終孔位置距頂板0.5 m。對小煤柱加固時(shí)，在53011 巷內(nèi)面向工作面施工兩排鉆孔，上、下兩排鉆孔間距均為4 m，采用“三花”布置，其余參數(shù)與主撤巷道內(nèi)鉆孔布置參數(shù)相同。

圖3 鉆孔參數(shù)及布置

3.2 注漿加固材料

為保證工作面回采煤炭質(zhì)量及考慮深孔注漿加固的需要，注漿加固材料選用無機(jī)礦粉材料，材料應(yīng)具備良好的流動(dòng)性和滲透性。研發(fā)了高性能聯(lián)邦加固Ⅰ號深孔注漿材料，材料為單液材料，具備高滲、高強(qiáng)特性。0.6:1 水灰比條件下加水?dāng)嚢韬螅?～2 h 流動(dòng)性較好，2～3 h 完全失去流動(dòng)性，滿足深孔泵送、較長時(shí)間擴(kuò)散的施工需求。1 d 單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)20 MPa。由于煤巖體裂隙發(fā)育，在注漿加固時(shí)，還需對煤巖體淺層破碎嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行封孔，形成止?jié){層，為深孔注漿提供密閉空間。研發(fā)聯(lián)邦加固Ⅰ號雙液封孔材料，具備早強(qiáng)、快凝特性。兩種漿液在混合前，6 h 內(nèi)漿液不凝固、不泌水，在混合后0～5 min 失去流動(dòng)性，5～15 min 完全固化。雙液封孔材料具體性能見表1。

表1 聯(lián)邦加固I 號（雙液）注漿材料不同水灰比抗壓強(qiáng)度對比

利用聯(lián)邦加固Ⅰ號雙液封孔材料對鉆孔提前封孔時(shí)，采用“兩堵一注”的封孔方法，在封孔段注入雙液材料。具體操作為：在封孔段兩端鋼管的表面焊接鐵絲，并纏繞棉紗，將注漿管插入鉆孔內(nèi)；再在鋼管旁側(cè)插入等同封孔長度的鋁塑管，將其作為灌注封孔材料的導(dǎo)流管。封孔方法具體示意如圖4 所示。先在鋁塑管內(nèi)注入雙液封孔材料，封孔結(jié)束后進(jìn)行深孔注漿。

圖4 深孔注漿封孔示意圖

注漿過程中，淺層區(qū)域壓力控制在6～8 MPa 之間，圍巖破碎、漏漿嚴(yán)重時(shí)適當(dāng)降低至4～6 MPa；深孔注漿壓力控制在8～15 MPa 之間，根據(jù)現(xiàn)場注漿速率調(diào)整泵壓。若時(shí)間過長，應(yīng)檢查是否存在漏漿通道。注漿結(jié)束前，淺層應(yīng)保持泵壓穩(wěn)定在6 MPa左右，深孔注漿泵壓穩(wěn)定至15 MPa 左右。

4 注漿加固效果

在工作面推進(jìn)至距主撤巷道40 m 左右時(shí)，進(jìn)入注漿加固區(qū)域。為對工作面末采階段的注漿效果進(jìn)行評價(jià)，將每日工作面回采過程中的片幫情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共計(jì)5 日，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 5301 工作面末采階段煤壁片幫統(tǒng)計(jì)

從表2 工作面片幫情況統(tǒng)計(jì)可以看出，隨著工作面逐漸向主撤巷道推進(jìn)，煤壁片幫數(shù)量、深度和片幫范圍逐漸增加。這是由于工作面與主撤巷道之間的煤柱逐漸變薄，承載能力逐漸下降，從而導(dǎo)致煤壁片幫程度增加。但直至工作面接近主撤巷道，煤壁片幫規(guī)模仍較小，片幫深度在0.8～1.0 m 之間，對工作面正常回采未造成明顯影響。對比以往未注漿加固的末采工作面，5301 末采工作面最后40 m僅耗時(shí)5 d 回采完畢，保證工作面安全回采，有效解決了片幫、冒頂?shù)葐栴}，同時(shí)節(jié)約了工作面末采時(shí)間，保證了工作面進(jìn)行正常接替工作。

5 結(jié)論

（1）采用現(xiàn)場監(jiān)測的方法，對大采高末采工作面巷道圍巖移近速率進(jìn)行觀測，在掌握了工作面超前支承壓力影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，分析煤壁前方不同超前支承壓力影響區(qū)域的可注性，選取工作面煤壁前方20～60 m 為合理的注漿時(shí)機(jī)和注漿范圍，隨工作面推進(jìn)形成“移動(dòng)注漿”。

（2）根據(jù)工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了注漿加固方案；研發(fā)高性能注漿加固和封孔材料，滿足深孔注漿對流動(dòng)性、滲透性、強(qiáng)度及淺層破碎區(qū)域封孔的需求；設(shè)計(jì)了深孔注漿封孔工藝。

（3）對工作面末采階段煤壁片幫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，煤壁相對比較平整，片幫深度和數(shù)量未對工作面正常回采造成影響，無冒頂事故發(fā)生。表明經(jīng)過注漿后，有效解決了工作面末采階段片幫、冒頂事故頻發(fā)的問題。