大采高工作面超前支承壓力區(qū)深孔注漿防片幫技術(shù)

余孝民，王 凱

(1.晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司，山西 晉城 048000；2.河南理工大學，河南 焦作 454000)

大采高采煤工藝具有回采率高、含矸率低、功效高、利于集中生產(chǎn)等優(yōu)勢，是我國厚煤層高效開采的主流方式[1，2]。但是工作面的片幫問題是大采高綜采的突出問題，是限制大采高發(fā)揮其設備效能的主要因素。注漿加固技術(shù)是解決這一問題的有效手段，它能將原來裂隙發(fā)育的破碎煤巖體固結(jié)成為完整性較好的煤巖體，可有效地防止片幫冒頂事故的發(fā)生，現(xiàn)已廣泛應用于治理煤壁片幫、冒頂問題。然而，目前多數(shù)的注漿工藝為淺孔工作面注漿，其存在以下弊端：①需要停機作業(yè)，對工作面生產(chǎn)影響較大，且要進入煤幫作業(yè)，存在安全隱患；②經(jīng)常是將其作為一種應急措施，往往是工作面出現(xiàn)了大面積片幫，甚至冒頂時才采用，此時煤體松散，不僅浪費大量注漿材料，亦達不到預防作用；③注漿材料多為高分子化學材料，此類材料不僅價格昂貴，還存在產(chǎn)熱量大、釋放有毒有害氣體等缺點。另一方面，大采高工作面超前支承壓力大，導致工作面前方煤體裂隙發(fā)育，是造成煤壁片幫，進而引發(fā)冒頂?shù)闹饕颉５瑫r，裂隙發(fā)育又為注漿提供了契機，為此可以抓住這一特點，設計從工作面兩巷往煤體布置深孔的注漿方案，不僅可以避免淺孔注漿的各種弊端，還能起到對煤壁片幫的預防性作用。

1 采動影響下煤體超前支承壓力分布規(guī)律

裂隙是漿液在煤巖體中流動的主要通道，煤巖體的裂隙分布及發(fā)育程度對注漿過程及效果有著非常顯著的影響，因此很有必要對工作面前方裂隙的發(fā)育及分布規(guī)律進行研究，以期找到合理的注漿鉆孔布置方式以及合理的注漿時機。

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對趙莊礦1307工作面超前支承壓力進行數(shù)值模擬分析，以實際條件為依據(jù)建立模型并施加邊界條件。模型穩(wěn)定后對煤層進行開挖，開挖長度分為40m、60m、80m、100m和120m，研究超前支承壓力的分布規(guī)律及特征。超前支承壓力的分布曲線如圖1所示。

圖1 不同開挖長度超前支承壓力分布曲線

由圖1可以看出，隨著工作面的不斷開挖，應力峰值逐漸增大，峰值位置也在逐漸前移，當推進度為100m時，應力峰值穩(wěn)定至40.2MPa，峰值位置穩(wěn)定在工作面前方8.5m左右，超前支承壓力的影響范圍為工作面前方50m。

2 采動影響下煤體變形破壞規(guī)律模擬研究

受采動影響，超前支承壓力影響范圍內(nèi)，距工作面不同距離的煤體所受應力狀態(tài)不同，為盡可能的還原煤體所受采動影響的整個過程，特進行此次試驗。試驗分為單軸壓縮試驗和三軸卸圍壓試驗，試驗所用煤樣采自晉煤集團趙莊礦3#煤，在工作面選取比較完整，無明顯裂隙的大塊煤。按照有關(guān)規(guī)程要求[3]，沿垂直節(jié)理方向?qū)γ簤K進行加工，加工尺寸為Φ50mm×100mm的標準試樣，用于做單軸壓縮試驗3個，用于做應力集中系數(shù)為2的三軸卸圍壓試驗3個，用于做應力集中系數(shù)為2.5的三軸卸圍壓試驗3個，共計9個試樣。

隨后在RMT-150B巖石力學試驗系統(tǒng)和GCTS/RTX-3000巖石力學綜合測試系統(tǒng)上進行單軸壓縮試驗和三軸卸圍壓試驗，對其變形和強度進行分析，并研究其在不同應力水平下裂隙的發(fā)育規(guī)律，為實際中最佳注漿時機的選取提供理論依據(jù)。

2.1 單軸壓縮試驗

對編號A-1、A-2和A-3的煤樣進行單軸壓縮試驗，在加載過程中，記錄煤樣A-1、A-2垂直加載方向的聲速，對A-2同時監(jiān)測聲發(fā)射特征；記錄煤樣A-3平行于加載方向的聲速。

2.1.1 煤樣的聲速特征

煤樣A-1、A-2和A-3應力-應變曲線與波速-應變曲線如圖2所示，煤樣A-1、A-2測定的均為垂直加載方向的縱波波速，煤樣A-3測定的為平行加載方向的縱波波速與橫波波速。

圖2 煤樣在加載過程中的聲速特征曲線

在加載過程中，煤樣A-1與A-2的聲速均表現(xiàn)出整體下降的趨勢。當煤樣所受載荷達到應力峰值的85%左右時，聲速迅速下降，說明此時煤樣內(nèi)部裂隙開始增生、發(fā)展、貫通；應力峰值之后，聲速降低至最低值直至采集不到，說明此時煤樣已經(jīng)發(fā)生破壞，出現(xiàn)宏觀破裂面，阻礙了聲波的傳播；煤樣A-3聲速整體保持平穩(wěn)，并呈現(xiàn)小幅上升的走勢。這是因為煤樣由于受載而產(chǎn)生的縱向裂隙對縱向的聲波起不到阻礙作用，與此同時，隨著軸向荷載的增加，存在于煤樣內(nèi)部的微觀裂隙不斷閉合，導致波速的增加[4]。

2.1.2 煤樣的形變特征

煤樣A-1、A-2和A-3的應力-體積應變曲線如圖3所示。與Alkan[5]研究的規(guī)律相似，煤樣應力-體積應變?nèi)^程曲線大體可分為4個階段：壓密階段、彈性階段、屈服階段和破壞階段。

圖3 煤樣應力-體積應變曲線

煤樣內(nèi)部裂隙在擴容起始點處開始增生[6，7]。煤樣A-1的擴容起始點處對應的應力大小為37.3MPa，為峰值強度的79%；煤樣A-2的擴容起始點處對應的應力大小為22.2MPa，為峰值強度的81%；煤樣A-3的擴容起始點對應的應力大小為36.5MPa，為峰值強度的76%。可以看出，所測試煤樣所受載荷為峰值應力的80%左右時，煤樣出現(xiàn)擴容現(xiàn)象，內(nèi)部裂隙開始發(fā)育。

2.2 三軸卸圍壓試驗

根據(jù)前面對趙莊礦1307工作面超前支承壓力的研究，得到工作面前方煤體垂直應力和水平應力的分布曲線[8，9]，如圖4所示。由圖4可以看出，垂直應力出現(xiàn)了明顯的應力集中，水平應力方向應力逐漸降低至0。垂向應力峰值處的垂向應力集中系數(shù)為2.5，水平應力集中系數(shù)為0.45；緩慢增壓區(qū)與急速增壓區(qū)分界處的垂向應力集中系數(shù)為1.45，水平應力集中系數(shù)為0.68。

圖4 工作面前方煤體應力環(huán)境

根據(jù)圖4中的應力變化，擬定三軸試驗加載路徑，如圖5所示。整個過程分三段加載，即：首先以軸壓和圍壓的相對比值為1的加載方式，加載至γH；其次，以升高軸壓和降低圍壓的加載方式，由原始應力狀態(tài)至圖5中的B點；最后，以升高軸壓和降低圍壓的加載方式，直至煤樣發(fā)生破壞。

圖5 加卸載路徑示意圖

煤樣B-1、B-2和B-3在三軸卸圍壓過程中的聲發(fā)射特征檢測結(jié)果如圖6所示[10]。

圖6 煤樣在三軸卸圍壓過程中聲發(fā)射特征

在累計聲發(fā)射幅度曲線上找出急劇上升點，經(jīng)過該點向上做一條垂線，與應力-應變曲線相交于一點，煤樣B-1該點處的應力值大小為33MPa，為應力峰值的77.0%；煤樣B-2的該點處的應力值大小為35MPa，為應力峰值的78.7%；煤樣B-3該點處的應力值大小為35MPa，為應力峰值的81.8%。以煤樣B-1的聲發(fā)射累計幅度曲線為例，如圖7所示。由以上數(shù)據(jù)可知，當煤樣所受應力達到峰值應力的80%左右時，聲發(fā)射事件開始活躍，意味著裂隙開始增生發(fā)育。

圖7 煤樣B-1聲發(fā)射累計幅度曲線

2.3 實驗分析

由試驗結(jié)果可知，煤樣在達到應力峰值強度的80%左右時，波速開始降低，出現(xiàn)擴容現(xiàn)象，并且聲發(fā)射事件開始增加，因此可以認為此時的煤樣內(nèi)部裂隙開始發(fā)育。對應于實際中的煤體，超前支承壓力應力峰值的80%處的裂隙開始發(fā)育，具有可注性，根據(jù)超前支承壓力的分布規(guī)律，應力峰值的80%處距工作面距離為23m，因此注漿時機可選擇在超前工作面23m處左右的位置。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗及效果考察

趙莊礦1307工作面煤層平均厚度為5.36m，采用大采高方式開采。工作面在回采過程中，煤層厚度大于5.5m時需留底煤沿頂板回采，控制最大采高不得超過5.5m。趙莊煤業(yè)主采3#煤層，1307工作面上方賦存一層極不穩(wěn)定的泥巖(夾矸)，其上賦存一層煤線，厚度也不均勻，復合煤層頂板具有遇水膨脹風化等特性，在13071巷及13072巷掘進過程中即出現(xiàn)了較為嚴重的冒頂現(xiàn)象，形成高冒區(qū)。如不采取措施，工作面推至該區(qū)域時將出現(xiàn)大量的片幫、漏頂現(xiàn)象。

3.1 鉆孔布置方式

結(jié)合現(xiàn)場實際工程情況可以發(fā)現(xiàn)，在13071巷及13072巷掘進過程中即出現(xiàn)了較為嚴重的冒頂現(xiàn)象，形成高冒區(qū)，13072巷中高冒區(qū)起始位置距工作面切眼約1437m，13071巷中高冒區(qū)起始位置距工作面切眼約1540m。1307工作面兩巷內(nèi)超前深孔注漿范圍如圖8所示。

圖8 1307工作面兩巷內(nèi)超前深孔注漿范圍圖

分別在13071巷及13072巷中沿巷道走向各進行60m范圍的深孔注漿加固工程，在13071巷中布置鉆孔的起始位置為距切眼1640m，在13072巷中布置鉆孔的起始位置為距切眼1520m，各巷中均布置兩排鉆孔，鉆孔深度約115m，鉆孔孔徑75mm，每排鉆孔孔間間距10m，鉆孔覆蓋范圍均為60m，鉆孔“三花眼”布置，鉆孔盡量與煤壁垂直13071巷及13072巷中鉆孔布置平面圖如圖9所示。

圖9 工作面兩巷中鉆孔布置平面圖

13072巷鉆孔布置與13071巷相同，以13071巷道為例，13071巷鉆孔布置方案中下排鉆孔開孔位置距巷道底板1m，上排鉆孔開孔位置距巷道底板3m；鉆孔施工需架設平臺，平臺長度15m，控制兩個鉆孔范圍。13071巷鉆孔布置示意圖如圖10所示。

圖10 13071巷鉆孔布置示意圖

3.2 注漿時機

煤體的可注性嚴重影響著注漿加固效果。若鉆孔周圍煤體未受到采動影響，裂隙不發(fā)育，空隙連通性差，則注漿會十分困難，即使通過加大泵的注漿壓力能夠?qū){液注進煤體，其注漿形式是劈裂注漿，注漿后的煤體強度未必有原始煤體強度高，工作面推來之后還要經(jīng)歷強烈的采動影響，使得加固后的煤體再次發(fā)生破壞，從而使注漿失效，起不到預防片幫的作用；而裂隙如果過度發(fā)育，煤體基本喪失承載能力，則又存在漏漿嚴重的問題，對材料性能要求較高，也達不到理想的注漿效果。根據(jù)第2節(jié)的研究成果，確定合理的注漿時機為注漿鉆孔距工作面20～30m處。

3.3 注漿效果考察

為了能夠清楚地了解注漿加固后漿液與煤巖體的膠結(jié)情況，在13072巷進行了鉆孔窺視考察研究，窺視鉆孔布置在距6#、12#注漿孔3m位置處，鉆孔直徑75mm，深度40m。為了能夠清楚地了解注漿加固后漿液與煤巖體的膠結(jié)情況，窺視結(jié)果如圖11所示。

圖11 注漿后鉆孔窺視結(jié)果

注漿后的鉆孔窺視結(jié)果可以看出，注漿后鉆孔成孔較好，但距孔口15m范圍內(nèi)漿液量相對較少，其原因是由于注漿施工過程中的封孔長度最短為16m，從20m位置處、25m位置處、30m位置處的鉆孔窺視效果圖可以看出，鉆孔孔壁完整，可以明顯觀察到漿液完全填滿煤巖體之間的裂隙，將破碎煤巖體粘結(jié)到一起，使得煤巖體整體穩(wěn)定性大大提高，煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整、緊密，注漿加固效。

4 結(jié) 論

1)總結(jié)現(xiàn)階段大采高工作面防片幫研究現(xiàn)狀，利用數(shù)值模擬，對采動影響下煤體超前支承壓力分布規(guī)律進行研究，研究表明1307工作面應力峰值穩(wěn)定至40.2MPa，峰值位置穩(wěn)定在工作面前方8.5m左右，超前支承壓力的影響范圍為工作面前方50m。

2)設計單軸和三軸卸壓實驗，研究采動影響下煤體變形破壞規(guī)律，實驗分析可知，煤樣在達到應力峰值強度的80%左右時，聲速驟降，應力-體應變曲線出現(xiàn)擴容點，并且聲發(fā)射累計幅度曲線出現(xiàn)急劇上升點，可以認為在煤樣在達到應力峰值強度的80%左右時是裂隙發(fā)育的起始點。

3)對注漿鉆孔布置、注漿時機等方面的問題進行分析，形成科學可行的方案；施工完成之后，通過鉆孔窺視檢驗注漿效果，結(jié)果顯示注漿效果顯著。