大采高工作面超前深孔注漿應用研究

段鵬坤

(山西晉煤集團 趙莊煤業有限責任公司， 山西 晉城 048000)

大采高一次采全高技術具有回采率高、含矸率低、利于集中生產等優勢，已成為我國厚煤層高效開采的主流方式。隨著采高的增加，煤壁片幫問題逐漸突出，成為限制發揮大采高優勢的主要難題[1-2]. 注漿加固可以改善裂隙發育煤壁的整體性，有效地控制煤壁片幫，已經得到了廣泛的應用。國內外學者針對煤壁注漿加固研究取得了一定的研究成果，王江峰等[3]采用超細水泥在趙莊某工作面回撤通道開展注漿加固試驗，片幫得到了良好控制；楊進鵬[4]針對某礦大采高綜采面仰斜推進煤壁片幫現象，在工作面煤壁布置深度為4.5 m的注漿孔，配合錨桿進行片幫治理；成辰欣等[5]針對大傾角仰采工作面片幫問題，采用高分子化學注漿材料，在工作面布置3 m深的鉆孔對煤體和頂板進行加固，有效控制了煤壁的片幫。上述研究工藝均為工作面的淺孔工藝，需要工作面停產施工，有較大安全隱患；化學漿溫度高、價格貴，會產生有毒氣體；同時該工作常作為一種應急手段，不能起到預防的作用。通過研究大采高工作面超前支承應力的分布特征，研發了一種深孔注漿材料，配合相應的深孔注漿工藝，提前改善煤壁裂隙發育情況，以減少工作面片幫問題。

1 工程概況

趙莊礦1307工作面主采3#煤層，煤層平均厚度為5.36 m，煤層傾角為0°～5°，平均3°，埋藏深度為463.9～673.9 m. 采用大采高采煤技術，片幫嚴重。

2 采動影響下煤體變形破壞規律模擬研究

煤體裂隙是漿液在煤巖體中流動的主要通道，對注漿效果有著顯著的影響，因此有必要對工作面前方裂隙的發育及分布規律進行研究，找到合理的注漿鉆孔布置方式以及注漿時機。

采用FLAC3D數值模擬軟件對1307工作面超前支承壓力進行數值模擬分析，以實際條件為依據建立模型并施加邊界條件。為了避免受到模擬軟件對單元數的限制，同時提高運算速度，可將模型上部巖層簡化為均布載荷施加在模型的上部邊界。

1) 模型建立。

依據趙莊礦1307工作面地質條件創建模型，坐標原點布置在煤層底板，以煤層走向為x軸方向，以煤層傾向為y軸方向，巖層的垂直方向為z方向。

煤層上覆巖層取6層巖石，共計23 m，煤層厚度為5 m，底部取一層巖石，厚度為14 m. 整體模型是尺寸為x 320 m×y 1 m×z 42 m的平面應變模型。

2) 物理力學參數。

將煤體以及各個巖層視為彈塑性體，當巖體受到的應力小于自身屈服應力時，各巖層屬于彈性變形；當所受應力超過屈服應力時，各巖層進入塑性變形。模型采用莫爾-庫侖屈服準則進行求解，進行數值解算時所用到的煤巖體的力學參數見表1.

表1 巖層物理力學參數

3) 邊界條件。

模型的前后左右4個面施加水平方向的約束，即水平位移為零，允許邊界結點沿垂直方向運動；模型下邊界約束垂直位移。根據模型埋深，原巖自重應力作用在上部邊界。在靜水平條件下，可認為作用在巖層上的水平應力和垂向應力相等。在前后左右4個邊界，沿z軸方向，初始應力按梯度分布。

模型初始應力平衡后，對煤層進行開挖，開挖長度分為40 m、60 m、80 m、100 m和120 m，研究超前支承壓力的分布規律及特征。超前支承壓力的分布曲線見圖1.

圖1 超前支承壓力曲線圖

由圖1可知，隨著工作面的推進，超前支撐應力峰值逐漸增大，應變峰值位置逐漸前移，當推進度為100 m時，應力峰值穩定至40.2 MPa，峰值位置穩定在工作面前方8.5 m左右，超前支承壓力的影響范圍為工作面前方50 m.

3 現場工業性試驗及效果考察

對采動影響下煤體變形破壞規律的研究，可以得出超前支承應力的分布規律，了解煤體在距工作面不同位置時所處的應力環境。據此，結合工作面的實際需求，確定注漿位置、注漿時機以及注漿范圍。

3.1 鉆孔布置方式

結合現場實際工程情況可以發現，1307工作面上方賦存一層極不穩定的泥巖(夾矸)，泥巖上又賦存一層煤線，工作面局部需要仰采通過，且復合煤層頂板遇水易膨脹風化，頂板管理難度極大。在13071巷及13072巷掘進過程中即出現了較為嚴重的片幫冒頂現象。13072巷中高冒區起始位置距工作面切眼約1 437 m，13071巷中高冒區起始位置距工作面切眼約1 540 m.

分別在13071巷及13072巷中沿巷道走向各進行60 m范圍的深孔注漿加固，見圖2. 在13071巷中布置鉆孔的起始位置為距切眼1 640 m，在13072巷中布置鉆孔的起始位置為距切眼1 520 m，兩條巷道中均布置兩排鉆孔，孔深均約115 m，鉆孔孔徑75 mm，每排鉆孔間距10 m，鉆孔覆蓋范圍均為60 m，鉆孔“三花眼”布置，13071巷及13072巷中鉆孔布置平面圖見圖3.

圖2 1307工作面兩順槽內超前深孔注漿范圍示意圖

圖3 兩順槽中鉆孔布置平面圖

對13071巷通進行鉆孔布置，13072和13071兩條巷通鉆孔布置參數一致。下排鉆孔開孔位置距巷道底板1 m，孔間距5 m，上排鉆孔開孔位置距巷道底板3 m，孔間距10 m. 13071巷鉆孔布置示意圖見圖4.

圖4 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。若注漿范圍內的煤體未受到采動影響，裂隙不發育，空隙連通性差，則注漿會十分困難，即使通過加大注漿壓力能夠將漿液注進煤體，以劈裂注漿形式注漿，也可能破壞煤體現有完整性，注漿后的煤體強度未必有原始煤體強度高，工作面推來后還要經歷強烈的采動影響，使得加固后的煤體再次發生破壞，使注漿失效，不能有效預防片幫；如果裂隙過度發育，煤體基本喪失承載能力，則造成嚴重漏漿，也達不到理想的注漿效果。根據數值模擬結果可知，確定合理的注漿時機為注漿鉆孔距工作面20～30 m處。

3.3 注漿材料

針對深孔注漿特點，對材料性能要求如下：

1) 材料超細，以提升漿液流動性，提高強度。

2) 一定時間內較好的流動性，以滿足漿液遠距離輸送、深孔內充分擴散的需求。

3) 強度快速增長，因大采高工作面推進速度快，要求注漿后立刻見效。

4) 強度高。材料固結后強度越高，加固效果越好。

5) 一定的黏結性能可以保持結構完整性。

根據對材料的要求，研發了一種高滲、高強無機注漿材料，以超細硅酸鹽水泥為主要成分。通過比表面積測定儀測得該注漿材料的比表面積為815 m2/kg；通過對材料黏度和流動度的測定，發現加水攪拌后30 min內，黏度小，流動大；對材料的凝結時間進行測試，發現其初凝時間為2.5 h，終凝時間為8 h；對材料進行強度測試，強度增長特征見圖5，發現1 d、3 d和7 d的強度分別為19 MPa、28 MPa和32 MPa. 可見，該新型無機注漿材料能夠滿足深孔注漿的要求。

圖5 材料強度增長特征曲線圖

3.4 注漿設備及系統

深孔注漿泵使用的是鎮江長城注漿設備有限公司生產的型號為ZBYSB190/32-55的液壓注漿泵，注漿壓力0～32 MPa，最大流量190 L/min，注漿系統見圖6. 系統由兩個氣動攪拌桶QB260，1個盛漿桶，1臺液壓注漿泵以及相應的管路和混合器組成。攪拌桶及盛漿桶可以采用鐵桶加工，兩個攪拌桶交替向盛漿桶內放漿。

圖6 注漿系統示意圖

3.5 注漿效果

為了觀察注漿加固后漿液與煤巖體的膠結情況，在13072巷注漿區域進行了鉆孔窺視，窺視結果見圖7.

由圖7可以看出，注漿后鉆孔成孔效果較好，煤巖體內部結構完整、緊密，注漿加固效果良好。

圖7 注漿后鉆孔窺視結果圖

4 結 論

1) 根據工作面實際地質情況，建立數值模型，分析可知，1307工作面超前支承壓力的應力峰值位于工作面前方8.5 m左右的位置，影響范圍為工作面前方50 m左右。

2) 根據深孔注漿要求對材料的細度、黏度、流動度、凝結時間、強度等進行研究，研發了一種性能滿足深孔注漿的注漿材料。

3) 通過設計合理的注漿鉆孔布置、注漿時機、注漿設備及系統，形成科學可行的方案。施工完成后，進行了鉆孔窺視，結果顯示，注漿效果良好。