深孔注漿加固技術在大采高工作面末采階段的應用

范衛軍

（山西晉煤太鋼能源有限責任公司，山西 呂梁 033207）

0 引 言

大采高工作面具有單產高、生產高度集中及對煤層厚度變化適應性強等優點，普遍用于我國中厚煤層開采的各大井田[1]。但大采高工作面因推進速度快、開采擾動大，生產過程中礦壓顯現較為明顯，尤其是工作面末采階段，對未回采煤體壓力較大，工作面常出現片幫、冒頂事故，采動影響范圍內的順槽巷道變形加劇，不僅影響工作面推進度及產量，更影響工作面安全生產。因此，防煤體片幫、冒頂是大采高工作面末采階段需要采取的措施。超前深孔注漿是提高煤巖體抗壓強度，增強煤體結構穩定性的重要技術[2]，基于此，通過對寺河礦5303 工作面大采高末采階段采取深孔注漿加固，解決末采階段的片幫、冒頂問題，以確保工作面末采階段安全、快速推進。

1 工程概況

寺河礦5303 工作面位于礦井西五盤區中部，工作面開采3 號煤層，煤層均厚5.7 m，工作面一次采全高，屬大采高工作面。5303 工作面煤層底板標高-173～-206 m，地面標高+395～+476 m，工作面走向長度1 280 m，傾斜長度220 m，煤層平均傾角3°。工作面共布置4 條順槽巷道，均沿煤層底板布置。通風方式為“兩進三回”U 型通風。工作面南側布置53031 巷和53035 巷，其中，53031 巷為皮帶運輸巷兼進風巷，53035 巷為材料運輸巷兼進風巷。工作面北側布置53033、53032 和53034 巷，其中，53033巷為皮帶運輸巷兼回風巷，53032 巷為材料運輸巷兼回風巷，53034 巷為回風巷，工作面西側為末采結束后的回撤巷。巷道平面布置如圖1 所示，煤層及頂底板巖性物理力學參數見表1。

表1 煤層及頂底板巖性物理力學參數表

圖1 5303 工作面平面布置圖

2 大采高工作面煤體片幫、冒頂機理及治理思路

2.1 煤體結構破壞機理分析

大采高工作面發生煤體片幫、冒頂主要與煤體自身物理力學性質、工作面采高、推進度及支架阻力等因素有關[3]。煤體硬度越低，穩定性就越差，越容易發生片幫、冒頂事故。大采高工作面因采空區頂板下沉空間大，導致頂板“三帶”較高，造成頂板壓力較大，從而作用到工作面煤壁上的壓力也增大，導致煤壁裂隙發育加劇。推進度越低，壓力作用在煤壁上的時間越長，會致使煤壁裂隙更加發育。支架阻力偏低，會導致作用到煤壁的壓力偏高，是引起煤壁片幫、冒頂的主要因素之一。工作面末采階段，采動應力集中在末采煤柱上，更易引發煤墻片幫、煤體冒落。

2.2 煤體片幫、冒頂治理思路分析

根據大采高工作面煤體結構破壞機理分析可知，對煤體造成破壞主要有壓裂破壞和剪切破壞兩種形式，對大采高工作面煤體造成破壞的各類因素中，提升支架阻力是末采階段必須采取的措施，但支架阻力提升范圍有限，不能有效解決片幫、冒頂問題，加快工作面推進度需先解決片幫、冒頂問題。因此，為確保有效治理片幫、冒頂，需加強煤體自身物理力學性質上，即增強煤體自身的結構強度。

煤體注漿是提高煤體自身結構強度的有效方法，通過注漿使漿液滲入煤體孔隙內，漿液凝固后形成漿脈網絡，實現對煤體的固結，從而增強煤體結構強度及整體穩定性。注漿固結煤體示意圖如圖2 所示。

圖2 注漿固結煤體示意圖

3 注漿鉆孔布置方案設計

在工作面進入末采段前，通過工作面兩巷向末采段煤體內施工深孔進行注漿，從而提高末采段煤體結構強度，為末采段防片幫、冒頂和快速推進創造條件。

3.1 鉆孔布置及注漿方案

1）通過工作面兩巷向末采段施工鉆孔，鉆孔深度、間距、排距布置要滿足末采段全部煤體注漿加固的覆蓋范圍。

2）鉆孔分高、低孔布置，終孔位置在回采高度范圍內，確保漿液在煤體中均勻擴散。

3）瓦斯抽采孔與注漿深孔合一設計。即施工瓦斯抽采鉆孔時，在滿足瓦斯抽采前提下，按照注漿深孔設計，鉆孔成孔后，先插管、封孔進行瓦斯抽采，工作面進入末采期后停止抽采變更為注漿鉆孔進行注漿。該鉆孔前期進行瓦斯抽采后，釋放瓦斯壓力，減少瓦斯壓力對煤體的破壞，后期進行深孔注漿期間，又可通過注漿填補瓦斯抽采造成的煤層裂隙，從而增強煤體結構穩定性。

4）工作面回采至距離回撤巷80 m 時開始對末采段50 m 進行深孔注漿，并監測工作面兩巷及回撤巷圍巖變形量及變形速率。

3.2 鉆孔參數設計

根據鉆孔布置方案及煤巖層物理力學性質進行注漿深孔設計，從工作面53031 巷及53033 巷向末采段煤體布置注漿深孔，兩巷均布置高、低2 排鉆孔，每排鉆孔數量均為8 個（控制末采段50 m），孔深均為105 m。鉆孔布置平、剖面如圖3、圖4 所示。

圖3 鉆孔平面布置圖

圖4 鉆孔剖面布置圖

如圖3 所示，下排孔距底1.5 m，上排孔距底2.5 m，孔間距均為6 m，為保證均勻注漿，上、下孔間呈“三花”布置，根據煤層傾角，53031 巷上排孔傾角為+2.5°，下排孔傾角為0°。53033 巷上排孔傾角為0°，下排孔傾角為-2.5°。

4 注漿材料與設備

4.1 注漿材料及配比選取

設計選取的注漿材料為聯邦加固I 號，該注漿材料在加水攪拌后，40 min 內均具有較好的流動性，可滿足管路泵送及深孔注漿擴散時間需要，且該注漿材料為超細水泥顆粒，能夠進入煤層細小裂隙內，保證對煤體的注漿滲透效果。40 min 后開始凝結，9～12 h 即可完全硬化，完全硬化后單軸抗壓強度可達20 MPa 以上。不同水灰比下該注漿材料在抗壓強度見表2。

表2 聯邦加固I 號不同水灰比抗壓強度表

水灰比配比選取：根據5303 工作面末采階段注漿需要，結合鉆孔深度、凝結時間及抗壓強度等因素進行綜合考慮，選取硬化時間較短、抗壓強度較高的0.8 水灰比。

4.2 注漿設備與注漿控制

根據深孔注漿需要，注漿設備采用壓力高、排量大的ZBYSB100/20-5 型液壓注漿泵，包括QB260 型氣動攪拌桶、盛漿桶和輸漿管路等。注漿壓力控制在4～8 MPa，注漿期間可根據返液情況調整泵壓，當發現串孔情況應停注一段時間后復注，發生孔外漏漿嚴重時應停注查明原因，重新封堵后方可再次注漿，確保注漿效果。注漿設備布置如圖5 所示。

圖5 注漿設備布置示意圖

5 效果分析

通過對5303 工作面末采段進行深孔注漿，24個注漿孔共計注漿332.5 t，注漿后對注漿效果進行分析，具體效果如下：

1）5303 工作面回采至距回撤巷120 m 后，受采動影響及煤柱變窄原因，53031、53033 巷及回撤巷圍巖變形量及變形速率開始逐步增大，回采至距回撤巷80 m 時對末采段進行深孔注漿，注漿加固后監測發現，3 條巷道圍巖變形速率明顯變緩。

2）回采至距回撤巷80 m 前（注漿加固前），工作面回采期間片幫次數呈上升趨勢，最高片幫次數達每班11 次，片幫深度也呈增加趨勢。注漿加固后，片幫次數及片幫深度有所降低，回采至距回撤巷道50 m 以內時，片幫次數最高僅每班6 次。

3）回采距回撤巷50m 以內的末采段，回采期間未發生較大片幫及冒頂事故，僅用時8 天便順利回采至回撤巷，保證了工作面的推進度，使回采設備安全進入回撤巷，實現末采階段的安全生產。

6 結 論

1）深孔注漿可有效改善煤體結構穩定性，提高煤體結構強度，減少煤壁片幫、冒頂事故發生。

2）通過對5303 工作面末采段采用深孔注漿實施煤體加固后，提高了末采段煤柱的煤體強度，減緩臨近巷道的圍巖變形速率。深孔注漿加固后，末采段回采期間冒頂次數及片幫深度得到有效控制，保證了末采階段工作面的推進度，實現了末采段的安全生產及回采設備的順利回撤。