注漿技術在破碎頂板支護管理中的應用

魏月霞 劉小明

摘 要：以8025回采工作面為工程背景，對采面頂板破碎原因進行分析，并有針對性地提出注漿加固技術措施，確保采面頂板穩定。現場應用結果表明，注漿加固后頂板破碎巖層的承載能力、整體穩定性顯著提升，有效緩解了回采巷道頂板冒落、圍巖變形量大、煤壁片幫、頂板管理困難等難題，為回采工作面的安全回采創造了良好條件。

關鍵詞：注漿技術;回采工作面;破碎頂板;冒頂

中圖分類號：TD327.22文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）16-0101-03

Abstract： Based on 8025 mining face， the causes of roof breakage were analyzed， and the grouting reinforcement measures were put forward to ensure the roof stability. The results of field application show that the bearing capacity and overall stability of broken roof strata are significantly improved after grouting reinforcement， which effectively alleviates the difficulties of roof caving， large deformation of surrounding rock， coal wall and roof management， and creates good conditions for safe mining of mining face.

Keywords： grouting technology;mining face;broken roof;roof falling

破碎頂板的支護管理一直是制約礦井生產安全的一個重要因素[1]。當頂板較為破碎時，工作面圍巖的整體穩定性較差，圍巖強度及承載能力不足，回采巷道在掘進過程中，受采動壓力的影響，容易出現頂板冒落、煤壁片幫等問題，嚴重時甚至會造成傷亡事故，影響礦井的生產安全[2-4]。因此，強化對破碎頂板的支護管理，對促進礦井生產安全具有重要的現實意義。

1 回采工作面概述

某礦8025回采工作面位于礦井東翼2采區，東部為已經回采完畢的8023采面，西部為采區集中運輸巷，北部為保護煤柱，南部為實體煤。工作面上部為已經回采完畢的6022、6024采面采空區。8205采面設計走向長度為650m，傾斜長度為136m，開采8號煤層，煤層厚度在2.5～3.4m，平均厚度為2.9m，煤層傾角在5°～14°，平均傾角為10°，工作面埋深在650m左右。采面開采區域地質構造復雜，發育多個小斷層，同時受上部6號煤層開采影響，采面頂板破碎。8號煤層、底板巖性如表1所示。

2 回采工作面頂板破碎原因

2.1 受上部6號煤層開采的影響

6號煤層與8號煤層間的間距為3～15m，平均距離為6.6m。由于6號煤層與8號煤層間距小，因此，上覆的6號煤層開采會給8號煤層帶來影響。通過有關研究可知，在開采6號煤層時，底板的破壞深度可以采用公式（1）進行計算[5，6]：

（1）

式中，[h]表示底板的破壞深度（m）;L表示開采的6號煤層塑性區寬度（m）;[?]表示內摩擦角（°）;[θ]表示第一主應力與X軸之間的夾角（°）。

當[?h?θ=0]時，6號煤層開采對底板的破碎深度最大，可以采用式（2）進行計算：

（2）

煤層開采時的塑性區寬度可以采用式（3）計算得出：

（3）

式中，[M]表示開采的煤層高度（m）;[?]表示三軸應力系數;[K]表示煤層開采時的應力集中系數;[f]表示摩擦系數;[γ]表示覆巖容重（kg/m3）;[C]粘聚力（kPa）;[Px]表示支架工作阻力（kN）;[H]表示開采深度（m）。

從公式（1）、（2）、（3）可以得出，6號煤層開采時對底板的破壞深度為：

（4）

根據6號煤層開采情況，帶入相關計算參數，可以得到6號煤層開采時的底板破壞深度為7.2m。當6號煤層與8號煤層間的間距小于7.2m時，8號煤層頂板會因6號煤層開采而被破壞。在開采8號煤層時，頂板的支護以及管理難度增大，采用一般的支護方式很難有效對頂板進行維護管理。

2.2 工程地質條件

8025采面頂板、底板巖性較為軟弱，加之受采動影響及上部采空區積水侵蝕，其強度變低，增加了煤壁片幫發生的可能性，頂板容易冒落。

2.3 地質構造

8025采面發育有多條斷層，地質構造復雜。受斷層影響，煤層的埋藏角度以及厚度都會發生變化，在斷層影響帶附近，礦山壓力顯現更為明顯，工作面頂、底板巖層在斷層影響下更為破碎，增加了支護難度。

3 注漿技術在采面破碎頂板中的應用

對采面的破碎頂板進行注漿，主要是通過劈裂、滲透等，將注漿漿液注入破碎煤炭內，充填煤巖體間隙，改善煤巖體力學性質，增加粘聚力以及內摩擦角，提高圍巖的自身承載能力以及強度。注漿加固配合錨桿支護，既可以通過錨桿來提高破碎圍巖的整體穩定性，也可以提升錨桿的端部錨固性能，防止采面出現頂板冒落或者煤壁片幫情況。

在8025采面破碎頂板進行注漿，具體的注漿工藝流程如下。

3.1 施工注漿鉆孔

為了確保采面注漿質量，在采面注漿過程中，應先對淺部注漿孔進行施工，待淺部注漿完畢之后，再打深部注漿孔。在鉆孔過程中，應避免出現塌陷。在鉆孔鉆進時，先用75mm鉆頭進行鉆進，鉆進到設計位置時，退回鉆頭，并將60mm套管安設在鉆桿上，并將鉆頭更換成65mm，直至鉆進到設計的終孔位置。在鉆頭鉆進過程中，若遇到鉆桿無法鉆進或者塌孔無法繼續鉆進時，可以采用跟管鉆進方法，將PVC管鋪設到設計的位置。注漿鉆孔間距布置為16m。

3.2 注漿泵測試

在鉆進注漿鉆孔的同時，用清水清洗注漿泵，并測試，確保注漿泵性能可靠，提供的注漿壓力滿足注漿需要，且注漿管路不堵塞，各個連接接口、注漿管路各處可靠，確保注漿順利進行。

3.3 注漿材料制備

8025采面采用凝結時間較好控制、速度較快、結矸率較高、具有較強可注行的水泥-水玻璃雙液漿液。根據其他礦井注漿效果以及以往的注漿經驗，將水泥及水玻璃的體積比確定為2∶1，雙液漿的水灰比確定為1∶1。注漿漿液的具體制備過程為：按照水-水泥-水玻璃等順序，按照比例進行添加，并混合均勻。

3.4 注漿孔封閉

在注漿鉆孔的端頭位置安設止漿塞，應確保止漿塞安裝牢靠。在現場對注漿鉆孔進行封閉時，先用紗布蘸取制備好的水泥-水玻璃雙液漿，隨后放入注漿鉆孔內，對鉆孔進行密封。等到水泥-水玻璃雙液漿膠結后再進行下一步的注漿工作。

3.5 注漿

對注漿鉆孔封閉30min后，開始進行鉆孔注漿工作。當注漿壓力為1～3MPa時，注漿鉆孔的注漿壓力值一般在控制在1～3MPa，當注漿壓力超過3MPa時，注漿會造成煤巖體出現新的裂隙，不僅造成注漿材料浪費，而且會造成已經破碎的頂板破碎更為嚴重。因此，在8025采面注漿時，注漿壓力選擇為3MPa。等到注漿完成之后，應及時采用清水對注漿管路進行清洗，清洗時間保持在5min之上。具體的采面注漿系統示意圖如圖1所示。

4 效果檢驗

在8205回采工作面采用注漿加固之后，破碎頂板的支護效果較為明顯，管理難度有所降低。圖2是采面注漿前后的頂板下沉量監測結果。從圖2可以看出，對破碎頂板進行注漿后，頂板的下沉量值較未注漿時下降明顯，注漿后頂板的最大下沉量較未注漿時減少約52%。

注漿前后采面的礦壓顯現監測結果如圖3所示。從圖3可以看出，對采面破碎頂板進行注漿之后，采面前方的超前支承壓力要較未注漿前降低約20%。

對采面破碎頂板進行注漿加固后，圍巖的承載能力有所提升，采面回采巷道圍巖變形量大、頂板控制困難等問題得到緩解，為采面的安全生產創造了良好條件。

5 結語

8025回采工作面頂板由于受到上覆6號煤層開采、地質構造以及水作用影響，頂板較為破碎。通過在采面進行注漿加固，提升破碎頂板的整體穩定性以及自身承載能力。在采面進行注漿加固，有效緩解了回采巷道圍巖變形量過大、頂板冒落、煤壁片幫、頂板管理困難等問題，為工作面的安全、平穩回采創造了良好條件，為礦井破碎頂板的支護管理積累了寶貴經驗。

參考文獻：

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