元甲煤礦復合頂板工作面深孔注漿加固技術研究

張江峰

（山西鄉寧焦煤集團元甲煤業有限公司，山西 鄉寧 042100）

1 工程概況

元甲煤礦目前主采煤層為2 號煤層，煤層埋深213 m，平均厚度3.17 m，為近水平煤層，煤層含夾矸1～2 層，夾矸厚度0.30～0.65 m。20103 工作面走向長度1 650 m，傾斜長度200 m，采用綜合機械采煤法一次采全高，采空區采用全部自然垮落法處理，工作面采用兩巷布置，進風巷及回風巷高度均為2.6 m，寬度為4.9 m。

根據地測部門提供的資料顯示，在20103 工作面開切眼前方150 m 范圍內的煤層上方存在復合頂板，其結構由1～2 m 厚的薄層狀泥巖及其上方0.3 m 厚的不發育煤層組成。該結構下的頂板穩定性較差，強度低，遇水后易膨脹變形，在采動影響下容易冒落，且在巷道掘進過程中就頻繁出現冒落現象，部分區域冒落高度超高，為此，在掘巷施工時通過留底煤或頂板背實木塊來保證巷道高度。受復合頂板結果影響，工作面回采時，煤壁片幫及頂板冒落頻繁發生，嚴重影響了工作面的推進速度。因此，需對引起工作面復合頂板冒頂事故頻發的原因展開研究，并針對性的提出解決方案控制頂板的穩定性。

2 工作面冒頂原因分析

2.1 現場觀測分析

在工作面回采時，對頂板的情況跟蹤觀察，發現工作面冒頂及煤壁片幫按一定的先后順序發展。首先工作面煤壁發生片幫，對上方頂板的支撐作用減弱；由于頂板強度較弱，隨之發生局部冒落；支架移架后，由于上方頂板漏冒，接頂困難，其支護阻力無法有效控制頂板，導致頂板進一步冒落。由此逐漸形成惡性循環，頂板持續冒落超高，導致工作面不得不太高，嚴重影響了煤質和回采效率。

通過現場觀測可以得出，影響頂板漏冒的關鍵因素在于煤壁片幫，由于復合頂板軟弱破碎，一旦失去煤壁支承，就會冒頂。因此，解決頂板的漏冒，需先穩定住煤壁，只有控制煤壁的片幫，才能使頂板得到足夠的支撐，進而保證頂板的穩定性。

2.2 數值模擬分析

影響頂板漏冒除了煤壁片幫還有頂板自身強度，煤壁片幫受煤體強度影響，因此，利用FLAC3D數值模擬軟件，分析工作面頂板破壞深度受頂板強度及煤體強度的影響程度。以元甲煤礦實際地質條件及煤層賦存情況建立模型，根據單因素分析法，共設計5 組模擬方案，前4 組控制頂板強度參數不變，改變煤體強度，第5 組保持煤體強度與第1 組相同，改變頂板強度，模擬方案表見表1。

表1 模擬試驗方案

模型上表面施加3.10 MPa 的應力模擬覆巖載荷，在控頂距上方的節點施加面力支架的工作阻力，各方案模擬計算后的塑性區分布如圖1 所示，煤壁及頂板破壞深度結果統計見表2。

表2 模擬結果統計

通過模擬結果可知，隨著頂板強度的提高，頂板和煤壁的破壞范圍和程度未得到明顯的改善，而隨著煤體強度的提高，頂板及煤壁塑性區范圍縮小幅度較大，改善作用明顯。這與現場觀測分析結果一致，控制頂板冒頂的關鍵在于穩固煤壁，可通過注漿加固提高煤壁強度。

3 深孔注漿加固方案

3.1 鉆孔布置方式

根據上述分析，注漿鉆孔應盡量布置在煤壁中，提高煤體強度，還需兼顧頂板，對復合頂板發育的裂隙進行填充，提高頂板完整性，可以達到更好的控制效果。

20103 工作面煤層沿走向和傾向均為近水平，可在進風巷、回風巷打超前鉆孔，兩巷鉆孔的布置方式相同，布置方式如圖2 所示。

圖2 鉆孔布置方式圖

鉆孔均在巷道主幫煤壁上施工，上下2 排交錯式布置。下排鉆孔開孔口距巷道底板1.5 m，向上傾斜（仰角5°），孔間距為10 m，鉆孔深度為100 m，鉆孔終端位于煤層與頂板交界面，主要提高煤層強度；上排鉆孔開孔口距底板2.5 m，孔間距10 m，仰角為6°，孔深100 m，鉆孔終端在頂板上，主要提高頂板強度，上下排鉆孔的孔徑均為88 mm。

3.2 最佳注漿時機的確定

在進行注漿前，需對工作面超前支承壓力影響范圍內的煤體裂隙發育程度及其注漿可行性進行分析，以此確定出最佳的注漿加固時機。

根據礦壓觀測可知，20103 工作面的超前支承壓力影響范圍為55 m，工作面前方20 m 范圍為劇烈影響區，支承壓力峰值位于距工作面前方8 m 處。其支承壓力分布如圖3 所示。

圖3 超前支承壓力分布特征圖

由圖3 可知，可將工作面前方按照支承壓力的大小劃分為4 個區域，通過超前探孔對各分區內的煤體裂隙發育程度及注漿可行性進行觀測分析。分析結果見表3。

表3 工作面前方煤體裂隙發育程度及可注性分析表

由表3 可知，工作面前方0～20 m 范圍內的煤體裂隙發育程度高，可注性良好，但由于此時煤體較破碎，漿體無法起到加固強化作用，且施工中存在漏漿的風險；而55 m 范圍外既原巖應力區，該區域煤體裂隙不發育，基本處于閉合狀態，漿液無法打進去，容易形成大范圍漿液凝結塊，反而影響割煤；工作面前方20～55 m 范圍為應力降低區，此區域煤體裂隙較為發育，漿液流通性好，且煤體結構尚未完全破壞，漿體可以充分起到加固強化作用，隨著工作面推進，該區域煤體裂隙仍會進一步發育，為提高注漿量，最佳注漿時機確定為距工作面前方20～40 m 范圍內。

3.3 注漿材料

注漿材料選用超細硅酸鹽水泥類材料，其水灰比為0.5∶1，加水充分攪拌后，前1 h 具有良好的流通性，之后逐漸變粘稠，具有較強粘附性，3 h 后失去流通性，10 h 后凝結成固體，且強度較高。該材料主要具有以下幾個優勢：

1）流通性好。漿液可以充分流動，凝結時間較長，滿足深孔的長時間注漿，且滲透性高，擴散范圍大。

2）細度高。漿液內的顆粒平均粒徑達5.5μm，可以較好地填充煤巖體中的裂隙。

3）強度高。經室內強度測試實驗得出，注漿材料2 d 后抗壓強度達到18 MPa，4 d 后達到抗壓強度24 MPa，一周后的抗壓強度可達到34 MPa。可見其強度不僅高，且增長速度較快，能夠有效加固煤巖體。

4 應用效果分析

現場在20103 工作面前方150 m 施工注漿，注漿完成后，工作面開始推進，經過注漿區時，頂板和煤壁基本平直完好，發生的小范圍漏頂片幫共20 架次，其中最大煤壁片幫深度1.0 m，最大漏頂高度0.5 m。相比于類似工程條件下的20040 工作面推進150 m 過程初中發生的漏頂、片幫事故次數減少了65%，且經過注漿加固后，工作面推進150 m 僅耗時33 d，而未經注漿的20040 工作面推進150 m，需耗時67 d，其回采效率提高了51%。

5 結 論

根據20103 工作面復合頂板的地質條件，通過現場觀察及數值模擬分析得出引起工作面頂板漏冒的關鍵在于煤壁，通過深孔注漿預加固可以有效防止煤壁片幫和冒頂。為使得漿體的作用得以充分發揮，通過分析確定出合理的鉆孔位置應布置在煤體內，并兼顧提高頂板強度，在超前工作面20～40 m范圍時為最佳注漿時機。現場應用結果表明，采用深孔注漿加固方案有效控制了復合頂板工作面的冒頂及煤壁片幫，為類似工程地質條件下的開采提供了參考價值。