注漿加固技術在煤礦破碎頂板條件下的應用

劉耀月 王含梅

（棗莊礦業集團柴里煤礦，山東 棗莊 277519）

煤礦破碎頂板支護問題一直是制約煤礦安全生產的主要難題之一，破碎頂板條件下，回采巷道圍巖的整體性差，圍巖強度和承載能力降低，回采巷道開掘和維護困難，有時會發生嚴重的冒頂及片幫事故，嚴重制約著煤礦的安全生產，威脅著生產員工的生命安全[1-2]。

1 工程地質概況

柴里煤礦23下618綜放工作面位于236采區東部，工作面標高-611.3～ -627m，工作面沿傾斜方向布置，沿走向方向回采，工作面走向長度540m，傾斜長度135m，工作面主采3下煤厚3.20～6.20m，平均4.76m，傾角8°左右。23下618綜放工作面直接頂為泥巖，不堅固，基本頂為中砂巖；底板為泥巖、中砂巖，工作面頂底板情況如表1所示。23下618工作面雙巷在掘進過程中遇到三條斷層，對巷道施工及頂板管理影響很大，由于斷層的切割工作面直接頂板破碎，支護難度大。

表1 工作面頂底板情況表

2 工作面頂板破碎的原因分析

23下618綜放工作面頂板破碎，支護困難，回采巷道在開掘期間存在嚴重的安全威脅，通過對23下618綜放工作面地質情況及生產情況進行分析，23下618綜放工作面支護困難的主要原因有以下幾個方面：

（1）近距離煤層群開采影響

3上煤層和3下煤層之間的間距僅為0～16.50m，平均4.97m，由于3上煤層開采對于煤層底板的破壞，當兩煤層間距小于3上煤層開采對底板的最大破壞深度時，3下煤層頂板就會完全破碎，支護困難。根據滑移線場理論，煤層開采時對底板的最大破壞深度可由式（1）確定：

式中：

M-開采煤層厚度，m；

φ-內摩擦角，°；

ζ-三軸應力系數；

f-摩擦系數；

K-應力集中系數；

γ-上覆巖層的平均密度，kg/m3；

H-煤層埋深，m；

C-內聚力，MPa；

px-支架阻力，MPa。

通過計算3上煤層開采時對底板破壞的最大深度為6.9m，因此，兩煤層間距小于6.9m時，3下煤層頂板完全破壞。

（2）地層性質

23下618綜放工作面頂底板均為泥巖，工作面開采的3下煤層是典型的“三軟”條件，受采動的影響，且由于上部采空區水的侵蝕，煤層頂底板及巖層的強度降低，煤層片幫和冒頂嚴重。

（3）工作面地質構造

工作面回采巷道掘進過程中，共揭露小斷層3條。在斷層附近，煤層的厚度和傾角等都會發生變化，斷層處礦山壓力顯現明顯，工作面圍巖在斷層作用下，進一步破碎，增加了圍巖的支護難度。

（4）支護措施不合理

由于煤層頂板破碎，錨桿無法錨固到頂板穩定的巖層上，錨桿的支護作用被削弱，無法通過增加圍巖強度來提高圍巖的承載能力，支護性能不可靠，頂板往往發生冒頂事故。

3 錨桿注漿技術的應用

注漿工藝是通過化學漿液將破碎的圍巖體重新充填，膠結起來，從而使得破碎圍巖形成一個穩定的整體，提高了巷道圍巖的整體穩定性，巷道圍巖的力學性能得到改善，固結后的圍巖形成支護的骨架結構，巷道圍巖的承載能力上升，支護的可靠性得到增強，工作面冒頂及片幫嚴重的現象可以得到有效的治理[3-5]。

23下618綜放工作面的注漿工藝步驟為：

（1）工作面打眼布置注漿管道

為了確保注漿工作的質量，在工作面注漿過程中應該先打短孔，待短孔注完漿液后再打長孔注漿，避免塌孔現象的發生。鉆孔時，先用直徑75mm的鉆頭鉆至設計位置，提出鉆桿時用直徑60mm的套管套在鉆桿上，后改用直徑65mm的鉆頭將注漿孔鉆至終孔位置。當鉆進過程中遇到塌孔或鉆桿無法鉆進時，可采用跟管鉆進的方法敷設PVC套管至設計位置。

（2）測試注漿泵

在布置注漿鉆孔的同時，需要用清水清洗注漿泵，并試運行，確保注漿泵的性能可靠，注漿壓力滿足頂板注漿支護的要求，并檢查注漿管路的完整情況及各個接口連接的可靠性，以保證注漿效果。

（3）制備注漿漿液

選取的注漿材料為水泥--水玻璃混合漿液，該混合材料的膠凝時間可控，可注性好，且膠結時間快，能夠滿足煤礦井下生產的需要。根據以往注漿材料參數的經驗，水泥的體積∶水玻璃的體積為2∶1；水泥水玻璃注漿材料與水的比例為1∶1時的注漿效果最好。制備漿液是按照水→水泥→水玻璃的順序，依次按照比例上料，并在漿液池中混合均勻。

（4）封閉注漿孔

在注漿鉆孔端頭布置止漿塞，止漿塞的安設要牢固，止漿塞安設好以后，用紗布蘸取現場制備好的水泥漿液后，放入鉆孔中，并壓實封孔，待水泥漿液穩固后才能進行下一步驟。

（5）注漿

在封孔措施完成30min后，開始向鉆孔內灌注漿液，注漿壓力保持在3MPa以內，注漿過程中要確保連續不間斷地灌注漿液，避免停機操作，以防注漿管路堵塞。當注漿過程中，漿液滲出較多時，可暫停幾分鐘，然后再繼續注漿。當注漿完畢后，應以清水沖洗管路5min，確保注漿管道的暢通。

煤層破碎頂板注漿支護設備示意圖如圖1所示。

圖1 注漿設備示意圖

4 注漿效果的監測

23下618綜放工作面使用注漿技術后，破碎頂板巷道的支護效果顯著，注漿前后23下618綜放工作面頂板下沉量對比結果如圖2所示。注漿段的頂板下沉量比未注漿段有明顯的下降，注漿段的最大頂板下沉量比未注漿段下降52.2%。注漿前后工作面超前支撐壓力對比結果如圖3所示，注漿段的超前支撐壓力峰值比未注漿段下降19%。

通過注漿技術，23下618綜放工作面的巷道大變形情況得到抑制，防止了巷道的進一步破壞，維護了巷道圍巖的整體性，有利于巷道支護的穩定。

圖2 注漿前后工作面頂板下沉量對比

圖3 注漿前后工作面超前支撐壓力對比

5 結語

23下618綜放工作面應用注漿工藝治理巷道破碎頂板取得了很好的技術經驗及經濟效益。23下618綜放工作面實施該技術以來，工作面生產期間無冒頂和片幫事故的發生，工作面錨桿支護的穩定性得到明顯的提高，工作面巷道變形量在煤礦安全生產規程允許范圍內，巷道無需再次返修，減少了維修費用及人工費用，對相似條件下的工作面頂板支護起到很好的借鑒作用。