大采高工作面過端頭陷落柱注漿加固技術

溫志東

（晉城煤業集團趙莊煤業，山西 晉城 048000）

大采高工作面綜采技術具有回采工藝簡單，資源回收率高等優點，已經成為我國山西、內蒙等礦區建設高產高效礦井的主要途徑之一。但采高增大，采場礦壓顯現相對更為強烈，尤其是遇到煤質松軟、頂板破碎、過構造時，極容易發生片幫、冒頂事故[1～2]。以往多在片幫、冒頂發生前后，在支架下方對煤壁、頂板進行化學漿注漿加固，作業空間小，需要工作面停采換取施工時間，工作面一旦停采，煤壁和頂板在超前支承壓力作用下，前方0～8m更加破碎，片幫、冒頂加劇，形成惡性循環，化學漿消耗量成倍增加大，浪費大量的人力物力[3～5]。本文以趙莊煤業1309工作面過陷落柱為工程背景，研究大采高工作面過端頭陷落柱注漿加固技術。

1 工程背景

晉城煤業集團趙莊煤業1309工作面走向長2753m，傾斜長219m，煤層為3#煤層，煤層平均厚度為4.9m，煤層平均傾角為3°。根據槽波探測和鉆探結果顯示，工作面切眼前方235m位置發育一陷落柱JX97，覆蓋13091巷兩幫和工作面部分煤體，陷落柱在工作面煤體最大深度為30m，走向上最大長度40m。如圖1所示。

圖1 陷落柱與工作面位置關系圖

根據13091巷揭露情況，陷落柱中部堅硬，邊緣十分破碎。工作面進出陷落柱，經過陷落柱與煤體交界面時，容易出現片幫、冒頂事故，JX97陷落柱位于端頭應力集中區，可能對回采造成不利影響，因此有必要對該陷落柱進行提前加固。

2 注漿加固關鍵因素

2.1 注漿加固方式

在13091巷內對陷落柱進行超前注漿加固，施工空間、時間充足，煤體和頂板較大裂隙得到充填加固后，能夠顯著提高承載能力，減少片幫、冒頂發生，避免工作面停采，減少或取消化學漿使用。

因此，計劃在13091巷內，提前對陷落柱施工深孔進行注漿。

2.2 注漿加固層位

工作面片幫、冒頂按如下順序發展：工作面煤壁片幫→工作面頂板失去下方煤壁支撐，發生漏頂→工作面支架接頂困難，不能給頂板提供足夠的支護阻力→進一步發生片幫、漏頂現象→形成惡性循環→造成工作面逐漸抬高，回采率降低，嚴重影響安全生產。

可以看出，工作面煤壁片幫失穩是造成頂板失穩的主要原因。解決工作面冒頂問題，關鍵在于 "立幫 "，即提高工作面煤壁的穩定性，以減少煤壁片幫頻率及程度，提高工作面煤壁對于頂板的支撐作用，進而控制冒頂問題。因此，加固重點應該是煤幫，尤其是中上部，兼顧頂板。

結合鉆機性能，深孔鉆孔基礎布置方式1排，鉆孔有效加固范圍應覆蓋煤壁中上部。

2.3 注漿范圍

工作面進出陷落柱時，交界面松軟破碎，容易發生片幫、冒頂，而陷落柱中部堅硬、密實，因此，注漿加固應針對陷落柱邊緣與煤體交界位置及附近，中部沒有必要進行注漿。因此，注漿范圍確定為回采進度225m～240m、回采進度270m～285m，合計30m范圍。

2.4 最佳注漿時機

趙莊煤業大采高工作面超前支承壓力影響范圍為工作面前方60m。60m以外屬于原巖應力區，裂隙不發育、貫通性差，注漿壓力高而注漿量小，注漿效果甚微；工作面前方20m以內，裂隙充分擴展貫通，注漿壓力小而注漿量大，但容易在工作面煤壁產生漏漿；工作面前方20～60m范圍裂隙得到一定程度的擴展、貫通，提高了注漿量，同時可以避免漏漿，在此區域內進行注漿較為適宜。工作面前方20～60m范圍內，裂隙發育仍處于動態發育過程，為盡量避免注漿后重新產生大量新的裂隙，應盡量靠近工作面時再進行注漿。

因此，最佳注漿時機應在工作面前方20～40m。為緩解施工緊張，可以先打鉆、插管、封孔，等工作面推進到距離鉆孔20～40m時再進行注漿。

3 注漿加固方案

3.1 實施范圍

回采進度225m～240m、回采進度270m～285m，共30m長度，即進出陷落柱邊緣位置附近各15m范圍。

3.2 注漿鉆孔布置方式

設計3種深度鉆孔，淺孔、中深孔、深孔。淺孔的目的是封閉淺部圍巖，減少深孔注漿漏漿；中深孔的目的是對端頭區20m重點加固；深孔的目的是對陷落柱在傾向上影響范圍覆蓋注漿。

淺孔鉆孔布置：布置上下兩排鉆孔，矩形布置，間距×排距=1.4m×2.4m，下排鉆孔開孔高度距離底板1.8m，上排鉆孔開孔高度距離底板3.2m，孔徑28mm，孔深8m，鉆孔均垂直于煤幫。

中深孔鉆孔布置：布置一排鉆孔，開孔高度距離底板2.2m，孔深20m，孔徑94mm，仰角6.5°，終孔位置在煤層與頂板交界處。

深孔鉆孔布置：布置一排鉆孔，開孔高度距離底板2.2m，孔深50m，孔徑94mm，仰角4.5°，終孔位置在煤層與頂板交界處。

鉆孔布置示意圖如圖2所示。

圖2 注漿鉆孔布置示意圖

3.3 注漿材料

淺孔采用聯邦加固1號雙液注漿材料，水灰比0.8:1，1min～3min 失去流動性，5min～10min 終凝，適合淺部破碎圍巖封堵；中深孔和深孔采用聯邦加固1號單液注漿材料，細度1250目，水灰比0.6:1，能夠保證30min左右良好流動性，滿足漿液在深孔內充分流動、擴散，1d強度16MPa以上，3d強度26MPa以上，注漿后強度快速增長，滿足工作面快速推進的時效性要求，非常適合作為深孔注漿材料。

4 工程量及效果考察

1）工程量。共實施淺孔28個，進尺224m，中深孔 10個，進尺 200m，深孔 10個，進尺 500m；1309工作面距離鉆孔30m時，開始跟隨工作面中深孔、深孔注漿，累計注漿量95t，平均每米巷道巷道注漿量3t，最大單孔注漿量18t。

2）效果考察。類似工程情況不進行超前注漿加固時，工作面煤壁片幫、冒頂嚴重，消耗大量的化學漿，如圖 3（a）所示；1309工作面過 JX97陷落柱時，煤壁雖然出現破碎，但片幫量極小，頂板未發生冒落，工作面順利通過，如圖3（b）所示。

圖3 工作面現場情況圖

5 結 論

1）大采高工作面遇構造容易出現片幫、冒頂現象，與工作面停采后采用化學漿加固方式相比，采用超前深孔注漿方式具有較大的技術優勢；

2）分析了1309工作面過JX97斷層超前深孔注漿加固的方式、層位、范圍、時機，認為煤壁中上部是加固重點，加固范圍應該是陷落柱邊緣與煤體結合部，加固時機應在工作面前方20～4m范圍；

3）制定了淺孔、中深孔、深孔鉆孔布置方案，目的分別是封堵淺部裂隙、加固端頭區、加固陷落柱影響區，并根據不同鉆孔的作用選取了注漿材料；

4）工作面通過JX97陷落柱注漿加固區時，煤壁片幫極小，頂板未發生冒落，工作面順利通過。