注漿加固技術在綜采工作面片幫治理中的應用

裴錦龍

(大同市煤礦安全監管大隊，山西 大同 037000)

隨著煤礦開采設備的不斷發展，礦井規模的不斷擴大，在各大礦區涌現處理一批大采高工作面，而且采高不斷增大，在神東礦區補連塔煤礦已經建立了8 m大采高工作面[1-2]. 然而在實際開采過程中，工作面片幫嚴重，嚴重威脅著礦井的安全生產。本文以三道溝煤礦85201大采高工作面為背景，對工作面煤壁片幫機理及預注漿加固煤壁技術進行了研究。

1 工程概況

三道溝煤礦位于陜西省府谷縣境內，年產量1 000萬t，礦井主采煤層為5-2#煤層，煤層厚度5.48～5.95 m，平均5.5 m，埋深99～175 m,平均埋深為137 m. 85201工作面為5-2#一盤區首采工作面，采高5.5 m，傾角1°～3°. 工作面長度295 m，推進長度為3 160 m，工作面選用ZY15000/5/65的液壓支架。煤層直接頂為粉砂質泥巖，平均厚度為3.5 m，基本頂為砂巖，平均厚度為21.5 m，直接底為砂巖，平均厚度8.0 m. 通過實驗室測定，煤層抗拉強度為2.62 MPa，抗壓強度為19.55 MPa，普氏系數為1.96，泊松比為0.24.在實際回采過程中，煤壁嚴重片幫，由于煤壁片幫導致工作面梁端距增大，極易造成工作面冒頂事故。

2 煤壁片幫機理

隨著工作面的不斷開采，工作面頂板的懸頂長度增大，工作面前方煤體內的應力平衡被打破，在煤體內部產生了較大的集中應力，當集中應力大于煤體抗壓強度時，就會發生片幫[3-5].

對于堅硬煤體的工作面，由于煤體本身堅硬，塑性變形能力有限，在頂板壓力及煤體自重的作用力P下在水平方向產生了一定的拉應力，而煤體自身變形有限，難以抵消拉應力的釋放。當橫向拉應力大于煤體抗拉強度時，煤壁發生拉裂破壞，造成煤壁失穩，見圖1a). 此時滿足式 (1)：

R≥Rt

(1)

式中：

R—橫向拉應力，MPa；

Rt—抗拉強度，MPa.

另外，當煤壁橫向拉應力大于煤體抗拉強度時，煤壁會發生鼓出式破壞,見圖1b).

圖1 煤壁破壞示意圖

對于松軟煤體來講，煤體在頂板及自重作用力P下在水平方向產生橫向拉應力，由于煤體軟弱，能夠承受一定的變形，導致橫向拉應力能夠通過煤體變形得到一定程度釋放，最終由于煤體內剪應力大于抗剪強度而發生剪切破壞，見圖1c). 由摩爾強度理論可知，煤壁高應力作用下，首先發生剪切破壞，此時滿足式(2)：

τmax-τ≤0

(2)

式中：

τ—剪切應力，MPa；

τmax—最大剪切應力，MPa.

根據85201工作面現場觀測及煤體自身力學參數測定，該工作面煤體屬于松軟煤體，因此可以推斷該工作面煤體破壞主要為剪切破壞，煤壁上部為易片幫區域。理論分析與現場觀測吻合。

3 注漿加固方案

通過對85201工作面煤巖體進行物理力學測定得，該煤體普斯系數為0.8～1.2，頂板屬于松軟破碎頂板。根據工作面采場力學可知，工作面應力平衡由支架、煤壁、頂板共同組成，當頂板或煤壁發生破壞整個工作面應力平衡打破，煤壁穩定性變差極易發生滑落。傳統的錨桿加固煤壁措施抗剪能力差，成本高，為有效控制工作面煤壁片幫，決定采用煤壁預注漿加固的方法來控制煤壁穩定。

3.1 注漿技術方案

為了保證煤壁的穩定性，根據煤壁片幫原理將注漿方案分為破碎頂板區域和煤壁靠上(距離頂板2 m)區域來進行不同程度的注漿。破碎頂板區域主要采用單排挑頂的注漿方式保證工作面頂板的穩定性；煤壁靠上區域(距離頂板2 m)主要采用均壓注漿方式保證破碎煤體間的黏結性。具體布孔方式見圖2.

破碎頂板區域由煤壁向頂部打孔，傾角10°，孔間距3 m，孔深4 m. 煤壁靠上區域垂直于煤壁打孔，孔距頂板1.5 m，孔間距3 m，根據工作面日推進度6 m，并結合注漿凝固時間綜合考慮，決定孔深為6 m.

圖2 注漿孔的布置圖

3.2 注漿材料選擇

注漿主要材料選用P.O42.5硅酸鹽水泥，水灰比(0.8～0.9)∶1，初次凝結時間控制在15 min以內，采用該材料的主要原因為成本低，環保，凝固時間長，可以有效對破碎煤體起到凝結作用。

3.3 注漿壓力

注漿壓力為煤體注漿過程中重要的技術參數，注漿壓力過大，會導致本已破損的煤體破壞更加嚴重，注漿壓力過小又會出現漿液擴散范圍減小，凝結效果差起不到加固煤壁的作用。

因此，煤壁注漿壓力可通過式(3)計算:

Ph=P0+(3～5)×0.1

(3)

式中：

Ph—煤體注漿壓力，MPa；

P0—煤體內注漿點的靜水壓力，MPa，取2.5.

根據公式工作面注漿壓力選取2.8～3 MPa.

4 現場應用效果分析

根據工作面現場觀測，對治理煤壁片幫前后，片幫頻次和深度進行了對比，見圖3和圖4.

圖3 片幫頻次統計圖

由圖3可以看出，通過60天的觀測可知，治理后工作面煤壁片幫頻次明顯降低，治理前工作面片幫頻次最高為30次，平均每5天發生26次，治理后片幫頻次最高20次，平均每5天發生17次。由圖4可以看出，治理后工作面煤壁日片幫深度明顯改善，治理前最大日片幫深度1 302 mm，治理后降低為700 mm. 由此可以看出，經過治理，工作面煤壁片幫得到了明顯改善，為安全生產提供了保障。

5 結 論

1) 通過對煤壁片幫機理進行分析可知，對于堅硬及松軟煤體片幫破壞發生的形式不同，片幫發生的位置靠工作面中上部。

2) 根據煤壁片幫機理，針對工作面煤壁破碎頂板區域和煤壁靠上區域兩部分預注漿對煤壁進行加固。

圖4 片幫深度統計圖

3) 根據現場觀測可知，注漿后工作面片幫頻次和日片幫深度均值較注漿前大幅降低，大采高工作面采用預注漿技術可以有效防治工作面片幫。