大采高工作面端頭破碎區(qū)注漿支護工藝研究

張曉赟

(汾西礦業(yè)集團 雙柳煤礦，山西 柳林 033300)

我國大多數(shù)現(xiàn)代化礦井都以厚煤層大采高開采為主，而隨著大采高工作面開采強度的不斷增加，工作面端頭支護成為了影響礦壓顯現(xiàn)的重要因素。 端頭是工作面與巷道相交的區(qū)域，應(yīng)力集中系數(shù)較大，冒頂與片幫發(fā)生的可能性也較大。除此之外，工作面的采高較大，巷道高度相對較小，使得端頭區(qū)存在一定的高差，加劇了圍巖的破碎，給巷道頂板管理帶來了困難。注漿加固已在礦井采空區(qū)封堵、頂?shù)装寮庸?、?fù)采區(qū)加固以及沿空留巷等方面實現(xiàn)了較大突破，其原理就是通過采用具有高黏結(jié)性、高強度的注漿材料對破碎煤巖體進行加固，以恢復(fù)破碎圍巖的整體性，提高支承強度。因此，本文采用注漿加固的方式對巷道圍巖破碎區(qū)進行處理，通過觀測注漿之后的圍巖變形量來判斷注漿加固端頭區(qū)是否可行有效。

在對煤巖體進行注漿時，應(yīng)當根據(jù)具體的注漿環(huán)境選擇合理的注漿材料、注漿時機，并且要對圍巖塑性破碎范圍進行確定，最終確定合理的注漿孔布置參數(shù)與注漿壓力。此外，對于端頭支護還應(yīng)當選取初凝時間短、初期強度高、黏結(jié)性高、成本較低的注漿材料。因此，本次試驗選取的注漿材料為新型無機注漿材料，能夠滿足端頭區(qū)支護的基本要求。注漿時機的選取應(yīng)合理，裂隙發(fā)育較少時，未形成良好的漿液流動通道，及時加固且加固良好，也無法避免礦壓顯現(xiàn)劇烈時，圍巖的再次破壞；而當圍巖破碎較嚴重時，及時注漿加固且加固有效，原錨桿錨索等支護體已經(jīng)喪失支護效果，也會降低注漿支護的效果。所以，本文分別從注漿時機與注漿參數(shù)兩個方面進行分析，對端頭區(qū)支護方案進行設(shè)計。

1 工程概況

本文研究背景為晉城煤業(yè)集團寺河礦1308工作面，該工作面走向全長約665 m，傾斜方向全長約134 m，開采煤層厚度6.2 m，傾角2°～8°.該工作面采用大采高一次采全高工藝布置，工作面機頭與機尾處各布置有10組過渡架，通風(fēng)方式為“兩進一回”式，巷道布置圖見圖1. 注漿支護的技術(shù)路線見圖2.

圖1 1308工作面巷道布置示意圖

圖2 注漿支護技術(shù)路線圖

2 巷道變形量觀測

為了更加清楚地設(shè)計注漿參數(shù)，需要對13081超前巷進行觀測。本次觀測采用“十字布點法”布置觀測點。 觀測起始位置為工作面前方60 m處，對選取的斷面頂板、底板以及兩幫進行鉆孔，打木楔，觀測結(jié)果見圖3.

圖3 巷道變形量觀測曲線圖

由圖3可知，巷道變形主要以兩幫與底板變形為主，其中兩幫最大移近量為1 220 mm，底鼓最大量為823 mm. 并且從曲線的變化趨勢來看，主要可以分為3個階段：工作面前方7 m范圍內(nèi)，巷道圍巖在這一區(qū)域變形速度緩慢，應(yīng)力逐漸降低，稱為變形減緩階段；工作面前方7～28 m，巷道圍巖在這一區(qū)域內(nèi)變形速度較快，屬于應(yīng)力逐漸增大的區(qū)域，稱為劇烈變形階段；工作面前方28 m以外的區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)變形量較小，表明受應(yīng)力影響較小，稱為初始變形階段。由此可見，注漿的最佳時機應(yīng)當選擇在工作面前方7～28 m，此區(qū)域內(nèi)煤壁裂隙較為發(fā)育，且未完全喪失支護強度，注漿加固效果較好。

3 注水測試試驗

為了探明巷道圍巖的裂隙發(fā)育狀況，對13081巷布置注水測試鉆孔。測試位置為工作面前方100 m處，按5 m間距共布置3組鉆孔，孔長分別為6 m、8 m、10 m，開孔位置距底板1.5 m，鉆孔傾角為15°，封孔深度為1.5 m，布置示意圖見圖4.

圖4 注水試驗鉆孔布置圖

布置好注水鉆孔之后，開始對工作面回采過程中的圍巖裂隙進行測試。初始回采時，由于工作面距注水鉆孔較遠，相鄰測試間隔為8～10 m；當工作面距注水鉆孔30 m時，縮小測試間隔，每推進3～4 m進行一次測試。整個測試過程中，需要保持0.02 MPa的固定靜水壓力，每次測試需統(tǒng)計10組數(shù)據(jù)的平均值作為本次試驗結(jié)果。測試結(jié)果見圖5.

圖5 注水試驗觀測曲線圖

1) 注水速度與圍巖裂隙演變的關(guān)系為：注水速度增大表明裂隙加速擴展發(fā)育，注水速度保持穩(wěn)定說明裂隙擴展停止。因此，通過觀測注水速度的變化可以判定裂隙的空間分布狀況。

2) 隨著工作面的不斷推進，注水速度也發(fā)生不同的變化。工作面初始推進階段，注水速度相對較小，表明此時注水位置已經(jīng)受到工作面回采的影響，形成了裂隙，但裂隙并不發(fā)育，表現(xiàn)出注水速度低的特性；當工作面推進至與注水位置相距25 m處時，注水速度開始明顯提高，且隨著工作面繼續(xù)推進，增長速度較快，表明此時注水位置處的裂隙開始發(fā)育，并且產(chǎn)生了新的裂隙；當工作面推進至與注水位置相距10 m之內(nèi)的位置時，注水速度最大且變化速度較小，表明此時裂隙已經(jīng)達到最大擴散程度，沒有新裂隙生成，圍巖破碎程度達到最大值。由此可見，工作面前方8～25 m的區(qū)域為裂隙發(fā)育階段，也是最佳的注漿區(qū)域。

3) 根據(jù)3種深度的注水鉆孔觀測結(jié)果來看，8 m處的注水速度與6 m處的相差較大，但于10 m處的注水速度相差較小，由此可見，裂隙發(fā)育的深度主要集中在8 m以內(nèi)。因此，最佳注漿深度應(yīng)當選取8 m為宜。

4 注漿試驗方案

根據(jù)上述分析結(jié)果，對13081巷進行端頭區(qū)圍巖注漿加固。加固區(qū)域為距工作面300～350 m的區(qū)域，注漿孔布置位置為工作面前方30～50 m處，布置方式見圖6. 鉆孔為上下兩排布置，每排鉆孔間隔皆為6 m，長皆為8 m，上、下排鉆孔距底板高度分別為2.5 m、1.2 m，采用傾斜向上20°布置。鉆孔布置完畢后，布置注漿管路并進行封孔處理，隨著工作面的推進，及時對距離工作面15～25 m的區(qū)域進行注漿加固，并觀測工作面不同推進長度下的端頭區(qū)巷道圍巖頂板與兩幫變形量。

圖6 注漿孔布置示意圖

本次注漿選取新型無機注漿材料配置漿液，此類型材料成本較低，且具有早期固結(jié)強度高，初凝時間短，1 d之內(nèi)最高固結(jié)強度可達8 MPa以上。試驗采用0.5∶l水灰比配置漿液，采用雙液注漿方式注漿，注漿泵型號為2ZBQ型雙液氣動注漿泵，單孔最大注漿量所需注漿干料1.9 t，可配置漿液3.4 t，最小注漿量所需注漿干料約0.4 t，可配置漿液約0.7 t.

5 注漿效果觀測

對工作面端頭區(qū)進行注漿加固之后，進行“十字布點法”檢測，觀測加固之后的巷道圍巖變形量變化狀況，觀測結(jié)果見圖7.

由圖7可知：采用注漿加固之后的巷道變形量都得到了較好地控制，其中頂板最大下沉量縮小至241 mm，兩幫最大移近量縮小至689 mm，底鼓最大量縮小至376 mm. 由此可見，與注漿加固前相比，圍巖兩幫與底板變形都得到了較好地控制，底鼓量減小了將近45.8%，兩幫變形量減小了將近55.4%. 因此，采用注漿加固能夠有效加固圍巖破碎區(qū)，提高其整體性與穩(wěn)定性，很大程度上保障了工作面回采時端頭區(qū)的頂板穩(wěn)定。

圖7 巷道變形量觀測數(shù)據(jù)曲線圖

6 結(jié) 論

1) 通過對巷道進行布點觀測以及注水測試，可以得到注漿孔最佳深度為8 m，注漿位置與工作面的最佳距離為7～28 m.

2) 采用注漿加固端頭區(qū)后，煤壁與頂板完整性較好，減小了片幫與冒頂發(fā)生的可能，為端頭區(qū)圍巖加固與頂板管理提供了基本保障。

3) 通過注漿效果來看，端頭區(qū)底鼓量減小了將近45.8%，兩幫變形量減小了將近55.4%，控制了巷道圍巖的變形程度，提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性。因此，采用新型無機注漿材料加固頂板能夠有效改善工作面端頭區(qū)域的破碎狀況，為工作面的順利回采提供保障。