超前深孔注漿在復合頂板工作面頂板管理中應用

王路飛

（汾西礦業集團正新煤焦有限責任公司和善煤礦，山西 沁源 046500）

1 工程概況

山西某礦20203 綜采工作面回采2#煤層，煤厚3.21 m、埋深215 m、傾角2°～10°，煤層中部夾雜1～2 層炭質泥巖夾矸，厚度合計0.15～0.35 m。20203綜采工作面設計推進長度1 680 m，采面斜長200 m，采面采用U 型通風方式，供風量為1 580 m3/min，回采巷道均為矩形斷面，凈寬×凈高=4.9 m×2.6 m。

20203 綜采工作面在開切眼前方0～200 m 范圍內為復合頂板，頂板由1～2 m 厚泥巖、0.3 m 厚不穩定煤層組成。由于復合頂板承載能力低、采面在復合頂板下回采時，在采動影響下容易出現垮落、離層等情況，采面頻繁出現冒頂、片幫等問題。

2 采面頂板冒頂問題

2.1 現場觀測分析

在20203 綜采工作面回采期間，對采面頂板進行跟蹤觀測，發現采面煤壁片幫、頂板冒頂有一定順序，采面片幫后煤壁對頂板支撐效果降低，加之頂板自身強度及承載能力偏低，導致局部冒頂事故發生；液壓支架移架后，受頂板冒頂影響導致直接頂梁無法接頂，支架支柱阻力無法有效控制頂板變形，進一步導致頂板冒落影響擴大[1-3]。煤壁片幫是導致頂板冒落的主要誘因之一，復合頂板承載能力差、軟弱且破碎，一般失去煤壁支撐容易導致冒頂事故。因此，解決冒頂事故、強化頂板時，需提高煤壁穩定性，只有避免煤壁片幫才可給采面頂板足夠的而支撐作用力，確保頂板穩定。

2.2 模擬分析

影響復合頂板穩定的因素主要為煤壁片幫、頂板巖體自身穩定性，煤壁片幫與采高、煤體強度密切相關。通過FLAC 軟件分析煤體強度對煤壁片幫影響，具體構建的模擬方案技術參數，如表1 所示。方案1—方案4 條件下煤體強度呈逐漸增加趨勢，方案5 與方案1 的煤體強度保持一致，但是方案5 的頂板強度較方案1 時提高50%。在模擬模型上界面施加3.1 MPa豎向應力，具體不同模擬方案得到的采面圍巖塑性區分布情況，如圖1 所示，圍巖破壞深度統計結果，如表2 所示。

表1 模擬參數及方案

表2 不同模擬方案圍巖破碎深度統計結果

從圖1 及表2 得知，隨著煤體強度增加，煤體及頂板塑性區分布范圍呈明顯降低，圍巖穩定性改善效果較為顯著；隨著頂板強度增加（對比方案1 及方案5），煤壁及頂板破壞深度均未呈現明顯變化。數值模擬結果與現場觀測結果一致，提高采面頂板穩定的關鍵在于實現采面煤壁穩定。20203 綜采工作面采高為3.21 m，通過降低采高來提高煤壁、頂板穩定性，會存在煤炭資源浪費、采收率低以及經濟成本偏高等問題。為此提出采用注漿技術手段實現復合頂板區域內超前深孔注漿，提高復合頂板影響范圍內煤體強度，為給20203 綜采工作面回采創造穩定環境。

3 超前深孔注漿方案

3.1 注漿鉆孔布置方案

從上文分析得出，提高煤體強度是實現頂板高效管理的關鍵，因此注漿鉆孔應盡量布置在煤壁中，提升煤體強度，同時布置的注漿鉆孔應兼顧頂板穩定性，通過注漿充填復合頂板裂隙，提高頂板穩定性及整體強度，以便達到更好的頂板管理效果[4-7]。

20203 綜采工作面回采范圍內2# 煤層傾角較小、為近水平煤層，可在采面回采巷道內布置鉆場提前對煤體進行加固，采面進風巷及回風巷內鉆場布置方式相同，具體布置，如圖2 所示。

圖2 注漿鉆孔布置示意圖

注漿孔開孔均靠近巷道頂板，其中下排鉆孔開孔距巷道底板1.5 m、鉆孔仰角5°，鉆孔孔深100 m、孔間距10 m，鉆孔終孔位于煤層與頂板交界位置，下排鉆孔主要起到提高煤體強度目的；上排鉆孔開孔與巷道底板間距為2.5 m、鉆孔仰角6°，鉆孔孔深100 m、孔間距10 m，鉆孔終孔位于煤層頂板上，上排鉆孔主要起到提高煤層上覆復合頂板穩定性及承載能力目的。超前注漿鉆孔孔徑統一均為88 mm。

3.2 注漿時機

通過對20203 綜采工作面回采期間礦壓監測分析發現，回采引起的超前支承壓力影響范圍約為55 m，支承壓力峰值位于采前前方8m 位置，其中采面前方20 m 范圍為劇烈影響區。依據采面礦壓顯現情況以及煤體內裂隙發育情況，對采面煤體可注性進行分析，具體結果，如表3 所示。

表3 煤體可注性分析結果

綜合表2 結果以及20203 綜采工作面現場情況，認為將超前深孔注漿鉆孔布置在采面前方20～55 m范圍內較為合理。采面前方20～55 m 范圍不會給采面回采以及超前支護工作開展帶來影響，時煤體內裂隙發育，可在一定程度提高注漿效果。

3.3 注漿材料

注漿材料選用超細水泥類材料，注漿材料水灰比控制在0.5∶1 且充分混合攪拌后，漿液在前1 h 內有較好的流動性，隨后開始固結；3 h 后漿液完全失去流動性；10 h 后漿液完成固結，且固結強度可達到12 MPa以上。在20203 綜采工作面選用的細水泥類材料具有流通性好、細度高（可注性強）以及膠結強度高等優點，具體優勢為:

1）注漿材料流動性好。注漿材料在注漿孔、裂隙中充分流動，膠結時間長，可滿足深孔長時間注漿需要，同時注漿材料滲透性較好，有效擴展范圍可達到8 m 以上。

2）細度高（可注性強）。注漿材料顆粒粒徑在5.5 μm，注漿材料細度高，可在煤體及頂板細小裂隙中擴散，從而可較好的充填煤巖體裂隙。

3）膠結強度高。注漿材料膠結8 h、2 d、4 d、7 d 后強度即可達到12、18、24、34 MPa，注漿材料早期強度增長速度快、膠結強度高，可實現煤巖體有效加固，顯著復合頂板范圍內煤巖體穩定性。

4 現場應用效果分析

20203 綜采工作面（未超前注漿）在開切眼前方50 m 范圍內回采時，曾多次出現片幫、漏頂情況，其中片幫最大深度達到1.8 m、漏頂最大高度為1.3 m，片幫及漏頂嚴重影響采面生產，雖然采用掛網、打玻璃鋼錨桿等措施治理片幫、強化頂板管理，但是效果不佳，采面推進速度僅為2.4 m/d。

在20203 綜采工作面開切眼前方50～200 m 范圍內采用注漿對煤體及頂板進行加固，具體超前采面20～55 m 內布置超前深孔注漿孔，可實現復合頂板影響范圍內煤體以及頂板加固。采面在注漿加固區內回采時，煤壁及頂板基本保持穩定，僅局部位置出現小范圍片幫、漏頂情況，其中片幫最大深度控制在500 mm，期間未有冒頂征兆或者冒頂問題發生，頂板控制取得較為顯著效果。20203 綜采工作面在復合頂板區域內回采時推進速度保持4.8 m/d，實現了安全快速回采。

5 結語

依據20203 綜采工作面現場地質條件，通過現場分析以及數值模擬分析發現，導致采面頂板冒頂的主要誘因是煤壁片幫。為此，提出采用深孔注漿方式提高煤體、復合頂板穩定性及強度，布置的超前深孔注漿鉆孔可兼顧煤體、頂板加固，同時將在超前采面20～55 m 范圍注漿，充分利用超前支承壓力對煤體及頂板裂隙發育影響，提高注漿可注性及注漿效果。

現場應用后，采面在超前深孔注漿加固區域內回采時，煤壁大范圍片幫問題得以有效解決，基本不出現頂板冒落問題，提高了復合頂板管理效果為采面安全高效回采創造良好條件。