注漿加固技術在大采高工作面片幫治理中的應用

翟 嵩

(山西長治王莊煤業有限責任公司，山西 長治 046000)

大采高綜采技術經過多年的發展，技術、裝備已經非常完善，由最初的3.5 m大采高已經發展到了如今的8.8 m大采高，該技術以其突出的優點被各大礦區廣泛應用。但是隨著采高的增加，工作面煤壁穩定性也在逐漸下降，煤壁片幫的概率及面積都有所增加[1-2]。煤壁片幫期間，飛濺的煤塊不但直接對設備及人員造成傷害，而且煤壁片幫后會使支架前方形成空頂，引起工作面冒頂，極大地阻礙了礦井安全高效發展[3-4]。

1 工程概況

山西長治王莊煤業3505工作面主要開采3號煤，煤厚5.2 m，設計采高5.2 m，煤層平均傾角為4°，工作面傾斜長度為360.5 m，走向長度為2 100 m。工作面布置210臺ZY9000/25.5/55D液壓支架，工作面直接頂為泥巖，平均厚度5.2 m，基本頂為粉砂巖，平均厚度7.20 m，直接底為炭質泥巖，平均厚度2.40 m。遇到工作面來壓期間，煤壁會出現大面積片幫，片幫范圍超過工作面1/2區域，中部最為嚴重，片幫深度最大達2 000 mm，且遇到強烈來壓，局部區域出現嚴重漏頂現象。

2 片幫機理分析

隨著工作面的推采，新的煤壁不斷暴露出來，其穩定性受到煤體自身強度、工作面采高、支架強度等綜合因素影響。采高越大頂板來壓期間對工作面煤壁造成的集中應力越大，當工作面支架強度不足，頂板產生變形量大，彎曲變形的頂板將應力向煤壁前方傳遞，當煤體自身強度不足以承受高應力時就會發生片幫現象。

結合工作面實際情況，分析3505工作面發生片幫的主要原因如下：

1) 工作面采高大。工作面采高大，形成的回采空間大，頂板運動產生的彎曲變形量大，在工作面煤壁前方形成高應力區，導致煤體逐漸發生破壞，加之支架對煤壁的支護效果不足，導致工作面發生片幫現象，尤其在工作面來壓期間表現劇烈。

2) 直接頂為泥巖。工作面頂板為泥巖，強度小，裂隙較發育，受到采動及頂板壓力的雙重作用，煤層附近的泥巖頂板極易破碎冒落，當泥巖冒落后，煤壁與頂板之間失去有效粘結，發生片幫破壞。

3) 支架支護效果差。在回采過程中直接頂易破碎，當工作面通過破碎區時，支架接頂效果差，不能“低頭、抬頭”現象，不能對頂板形成有效的支護，頂板壓力就會向煤壁前方轉移，當應力超過煤體強度時，就會發生片幫現象。

3 片幫觀測及分析

為了更好地對片幫進行防治，特對3505工作面生產過程中煤壁片幫特征進行了觀測。設置專人每循環對工作面煤壁片幫情況進行記錄，記錄內容包括片幫的深度、寬度、位置和范圍等，觀測結果如圖1所示。

圖1 不同階段工作面煤壁片幫素描(mm)

在3505工作面生產過程中，一直有煤壁片幫現象伴隨，其中初次來壓期間最為嚴重，面積大、范圍廣，工作面46.7%的區域均發生了煤壁片幫現象，片幫主要集中在煤壁上部；周期來壓期間片幫范圍有所減小，片幫范圍占工作面35.1%，但是強度卻并沒有減弱，主要集中在煤壁中部；正常生產期間片幫范圍進一步縮小，片幫范圍占工作面29.3%，但是片幫面積及強度卻依然較大，片幫主要集中在煤壁上部。不同階段的煤壁片幫特征如表1所示。因此對于3505工作面采取有效的煤壁片幫控制措施已經勢在必行。

表1 3505工作面生產過程中煤壁片幫情況

4 煤壁片幫治理技術

根據現場對煤壁觀測，尤其來壓期間破損嚴重，因此根據以往經驗應采用煤壁注漿加固方式來防治片幫[6]。

4.1 注漿材料

本次注漿使用高分子化學煤巖體加固材料對煤體進行預注漿加固，漿液在普通裂隙開度和孔隙率下的擴散半徑為1～1.5 m，開始注漿到漿液完全擴散或滲透到被注載體中所需要的時間一般為10～15 min，注射壓力可高達21.0 MPa。

4.2 注漿孔布置

在工作面煤壁布置上下兩排注漿孔，上排孔距離頂板位置500～800 mm，根據現場情況進行調整，孔徑為42 mm，鉆孔間距為3 000 mm，孔深6 000 mm，向上傾斜25°進行打設，保證上排鉆孔打入直接頂內部。下排孔與上排孔交錯布置，距離上排孔2 500 mm，孔徑為42 mm，鉆孔間距為3 000 mm，孔深4 000 mm，垂直煤壁打設。注漿孔具體布置如圖2所示。

圖2 注漿孔布置

4.3 注漿工藝流程

首先將注漿所需材料及設計帶去現場，專人檢查注漿設備的完好性并布置、連接注漿管路，將注漿眼與煤壁鉆孔相連接并放置好封孔器，將注漿材料吸入注漿泵內，通過注射槍注入煤體中，注射完畢后進行封孔并沖洗管路，進行下一個循環，直至注漿完畢后清理現場。注漿工藝流程如圖3所示。

圖3 注漿工藝流程

4.4 其他輔助措施

生產過程中嚴格控制采高，要求工作面采高不得大于5.2 m；保證支架初撐力達標，特別在來壓期間配備專人進行支架初撐力巡查及整改；發生有漏矸區域及控頂距較大的位置及時拉出超前架；保證支架架型，要求支架前梁接頂完整；合理使用護幫板，生產期間要求支架護幫板必須與煤壁緊貼。

5 片幫治理效果

工作面實施片幫治理措施后，特對3505工作面生產過程中煤壁片幫特征進行了觀測。觀測方法及內容與之前一樣，觀測結果如表2所示。

表2 注漿后3505工作面生產過程中煤壁片幫情況

由表2可知，對3505工作面實施注漿加固治理措施后，煤壁片幫情況得到了明顯的好轉，片幫強度、范圍都明顯下降，周期來壓期間片幫范圍較之前下降了48.1%，平均片幫深度下降了66%，平均片幫高度下降了55.4%；非來壓期間片幫范圍較之前下降了67.2%，平均片幫深度下降了66.7%，平均片幫高度下降了41.0%。因此充分證明煤壁注漿可以有效防治工作面煤壁片幫。

6 結 語

1) 本文對工作面煤壁片幫機理進行了分析，并對工作面生產過程中片幫特征進行了觀測，觀測結果顯示3505工作面煤壁片幫呈現面積大、范圍廣的特征。

2) 根據現場實際情況，決定采用注漿加固措施來治理工作面片幫，對注漿材料選擇、注漿孔布置、注漿工藝流程等方面進行詳細的闡述。

3) 3505工作面片幫通過注漿加固治理，片幫強度、片幫范圍都得以明顯下降。