大采高工作面深、淺孔組合注漿加固技術研究

史中剛

(晉能控股裝備制造集團有限公司 寺河煤礦， 山西 晉城 048000)

1工程概況

綜采工作面在回采過程中，由于受到推進速度、地質構造以及煤巖體巖性等因素的影響，容易發生片幫、冒頂事故[1,2]. 對于大采高工作面，煤壁和頂板破碎不穩定的問題更為突出[3]. 目前注漿加固技術是解決工作面片幫、冒頂問題的有效方法[4]. 山西晉煤集團寺河煤礦W3309工作面位于西三盤區，工作面南為西三盤區的盤區大巷(已掘)、東為W3308工作面(已采)，西為W3310工作面(正掘)，北為礦界。工作面開采3#煤層，走向長度1 711.8 m，傾斜長度297.5 m，煤層平均厚度6 m，煤層為條帶狀結構，似金屬光澤，半亮型，以亮煤為主，有夾矸1層，屬穩定型煤層。煤容重1.46 kg/m3，煤層普氏硬度系數f=1～2. 采用一次采全高綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面頂底板情況見表1.

從表1中可以看出，W3309大采高工作面煤層上方0.4 m為炭質泥巖偽頂，直接頂為2.15 m厚的砂質泥巖，頂板完整性差、抗拉強度低，不穩定。在回采過程中，持續遇到強礦壓顯現，頂板壓力大，出現冒頂較為嚴重現象?；夭蛇^程中部分支架位置隨采隨冒，冒落矸石在支架上方堆積，嚴重影響移架和工作面推進。針對上述問題，對工作面巖性情況進行分析，結合深、淺組合注漿加固技術對工作面進行治理，以保證工作面能安全、高效生產。

表1 W3309工作面頂底板巖性情況表

2 工作面注漿加固設計

2.1 深、淺注漿孔布置思路

目前通過在工作面注漿對煤壁加固，能夠起到預防片幫作用，但是從現場情況看，頂板冒落與煤壁并無絕對關系，偽頂和直接頂本身性質才是最關鍵因素，但也不能忽視煤壁對頂板的支撐作用。另外，原始頂板雖然強度較低，但是較為完整、致密，是在工作面前方幾米范圍內超前支承壓力劇烈作用下發生破碎，在采煤機截割上部煤體后，頂板暴露快速冒落，充分說明超前預注并不一定能夠有較大的注漿量。

因此，該次預注漿加固以頂板為主，采用“淺孔表面封閉+深孔高壓擴散”的預注漿方式，提高工作面完整區和易破碎區頂板連續性，使之形成共同承載結構[5].

2.2 工作面鉆孔注漿方案

在工作面出現片幫區域和冒頂的支架范圍區域首先采用淺孔封幫。工作面煤壁高度約6 m，鉆孔矩形布置，每排4個鉆孔，排距3 m，間距1.5 m，最上部鉆孔開孔高度距離頂板0.5 m，仰角5°；其余鉆孔仰角0°. 孔深均為8 m，孔徑為42 mm. 淺部鉆孔布置見圖1.

圖1 工作面煤壁淺孔鉆孔布置示意圖

在淺孔封幫工序完成后進行深孔注漿。在每個支架護幫板下方及架間各布置1個鉆孔，煤層仰角為3°，開孔位置盡量貼近頂板，距離頂板0.5 m，鉆孔設計深度30 m，鉆孔均沿著回采方向，仰角均為8°，終孔位置進入直接頂1～2 m，形成穩定支點。深孔注漿示意圖見圖2.

圖2 工作面深孔鉆孔布置示意圖

3 注漿施工工藝

3.1 深孔分段注漿

在工作面淺部0～3 m，煤巖裂隙較為發育，深部大于3 m范圍，煤巖體較為完整，如果采用深孔一次注漿，漿液會優先在淺部擴散，深部裂隙漿液不容易擴散。在注漿壓力作用下，淺部會出現漏漿現象，而深部未達到注漿加固的效果。因此采用分段注漿的方式，在淺部首先注漿，達到淺孔封閉的作用。隨后繼續套孔至設計孔深，進行第二次注漿。具體施工工藝如下：

1) 套管安裝及固定。首先使用鉆機打3 m直徑為113 mm的鉆孔，在鉆孔中插入套管，套管為d108 mm的鋼管，每節長1.5 m，兩節之間通過絲扣連接，鋼管外端接上法蘭盤，另一片法蘭盤與高壓注漿管連接，注漿將套管與鉆孔固定。

2) 分次鉆進及注漿方式。套管固定完成后，打開法蘭盤，使用94 mm鉆頭打鉆，繼續鉆進30 m，退出鉆桿和鉆頭，通過法蘭盤進漿口注漿，再進行掃孔鉆進至設計深度。如果出現破碎、塌孔，無法繼續鉆進，也可以再次退鉆注漿。

3.2 注漿工藝參數

1) 封孔參數。淺孔封孔長度為2 m，采用兩堵一注方式，鐵管兩端包裹棉紗，中部灌漿，見圖3. 工作面深孔封孔長度為2 m，采用兩堵一注方式，最外部1根鐵管兩端包裹棉紗，中部灌漿。

圖3 淺孔封孔示意圖

2) 打鉆注漿順序。采取循環注漿方式，每20 m為1個循環，先注淺孔，后注深孔，每注完1個循環淺孔后，進行深孔注漿，防止間隔時間過長裂隙重新發育。淺孔注漿順序：先注下排，后注中排,再注上排，采用間歇注漿工藝，漏漿時停泵棉紗輔助封堵漏漿點，復注即可凝固堵漏，淺孔注漿同一鉆孔需要多次堵漏，必須達到設計注漿壓力，保證封幫質量。

3) 注漿時機。注漿過早裂隙不發育，注漿量小、注漿壓力大，難以達到效果。最佳注漿時機應該在超前支承壓力區內，但離工作面過近，一方面會從工作面一側漏漿難以封堵，另一方面可能塌孔嚴重，影響漿液擴散，另外造成施工緊張。淺孔根據工作面推進情況進行實時注漿。進入工作面前方20～40 m再進行深孔注漿，注漿始終保持超前工作面20～40 m，形成“移動注漿”。

4) 注漿壓力。淺孔：注漿終止壓力4～6 MPa，當達到設計壓力，或者從一處反復漏漿無法封堵時，可以換孔，注漿量過小時應當開孔復注。深孔：注漿終止壓力10～15 MPa. 當出現漏漿卸壓，進行封堵注漿，成功堵漏后繼續注漿達到注漿壓力要求。

3.3 工作面注漿效果分析

經過對工作面進行“淺孔表面封閉+深孔高壓擴散”預注漿加固處理，提高了工作面易破碎區頂板的連續性，使之形成共同承載結構。通過在工作面出現片幫和冒頂的支架范圍區域采用淺孔封幫，有效改善了煤壁強度，起到預防片幫作用。另外，為深孔注漿防漏漿提供了良好的條件。深孔注漿改善了工作面深部的煤巖條件。注漿加固后工作面片幫、冒頂現象減少，工作面能夠安全、高效推進，表明深、淺孔組合注漿取得了良好的加固效果。

4 結 論

1) 結合寺河煤礦W3309大采高工作面在推進過程中，持續遇到強礦壓顯現，冒頂嚴重現象。采用“淺孔表面封閉+深孔高壓擴散”的預注漿方式，提高工作面完整區和易破碎區頂板連續性，使之形成共同承載結構。

2) 工作面注漿采用分段注漿加固工藝，分別對淺孔和深孔注漿參數進行設計。采用淺孔封幫，有效改善了煤壁強度，起到預防片幫作用。深孔注漿改善了工作面深部的煤巖條件。深、淺孔組合注漿取得了良好的加固效果。