大采高工作面末采防片幫深孔注漿加固研究

侯璐擁

（山西省晉煤集團寺河礦，山西 晉城 048000）

大采高工作面末采階段由于回采工序增加導致工作面推進速度降低，且回撤通道與工作面之間的煤柱寬度逐漸變窄失穩導致礦壓顯現劇烈，極易引起工作面煤壁片幫以及冒頂事故發生。同時，主撤巷道受工作面超前支承應力作用，經受動壓的劇烈擾動，導致回撤巷道變形破壞嚴重，給回撤工作造成安全隱患，制約工作面高效安全生產。因此，防止工作面在末采階段出現片幫、冒頂是目前急需解決的問題[1-3]。

1 工程概況

寺河礦5303工作面開采3#煤，平均煤厚5.9m，采用一次采全高工藝。工作面傾斜長度為221.3m，走向長度為1334.8m，煤層傾角平均為3°。煤層基本頂為6.23m厚的細粒砂巖；直接頂為3.45m厚的粉砂質泥巖；偽頂為炭質泥巖，厚度為0.60m。直接底為粉砂巖，厚度為1.22m；基本底為細粒砂巖，厚度為2.06m。工作面巷道布置如圖1所示，53031巷為工作面的軌道運輸巷，53033巷為工作面的皮帶運輸巷。

圖1 5303工作面巷道布置

2 工作面末采注漿加固方案

2.1 注漿時機選擇

大采高工作面前方存在一個移動支承應力，支承應力影響是造成煤體發生裂隙的主要原因，分析支承應力的分布，可以確定合理的注漿時機。超前支承應力分布如圖2所示。

圖2 超前支承應力分布特征

由圖2分析可知：（1）在原巖應力區內煤體所受應力較低，因此裂隙往往不發育，且孔隙連通性差，導致此處煤體可注性差。即使在該處注漿，該處煤體還要經受強烈的超前支承壓力擾動，煤體會再次破壞，工作面仍會片幫。（2）應力增高區的應力較高，煤體受較高的應力影響，該區域內煤體裂隙增大，裂隙連通性大，因此煤體的可注性增強[4-5]。（3）應力降低區內煤巖體完全破碎，可注性較好，但煤巖體基本喪失承載能力，要求注漿材料強度較高，且存在漏漿和浪費漿料的問題。

由上述的分析可知，合理的注漿區域選擇在圖2應力增高區中。對于5303工作面，合適的注漿時機為回撤通道距工作面50～60m的位置。

在實際操作中，對于順槽內的鉆孔，當工作面推至距其有50～60m時是最佳的注漿時機，邊推邊注，形成“移動注漿”，使正在注漿的鉆孔始終保持在距工作面50～60m范圍內。對于主撤巷道內的鉆孔，當主撤鉆孔端部距工作面60m時即為最佳注漿時機，考慮到主撤鉆孔長度為30m，即主撤注漿時，將首先加固主撤前方30m左右處的煤體，故決定主撤距工作面90m時開始注漿，亦可取得良好注漿效果。

2.2 鉆孔布置及施工

現場施工時，結合實際情況，最終選擇方案進行注漿鉆孔布置的原因主要包括以下幾點：

（1）現場施工工期短，時間緊張，礦方調不出鉆探隊進行深孔施工；（2）現場53033巷為皮帶巷，工作面側巷幫處鋪設有運輸皮帶，無法架設鉆機施工鉆孔；（3）工作面布置有主撤巷道，在主撤巷道中施工30m深鉆孔較為方便，同時在30m深鉆孔間布置15m深鉆孔，鉆孔覆蓋范圍廣。

在主撤巷道內，布置15m鉆孔共46個，仰角為10°，呈一排布置，間距5m，距底板高度為2.5m；30m鉆孔72個，位于15m鉆孔下方，呈三花布置，上排孔距底板高度為2m，仰角6°，下排孔距底板高度為1.5m，仰角0°，各排鉆孔間距4m，側視圖及剖面圖如圖3所示。

圖3 5303工作面主撤巷道鉆孔布置圖

在53031巷內，布置80m鉆孔17個，呈三花布置，上排孔距底板高度為2m，仰角為1～2°，下排孔距底板高度為1.5m，仰角為0°，各排鉆孔間距4m；后為了達到更好的注漿加固效果，在53031巷內補打20m鉆孔10個，仰角6°，呈一排布置，間距5m，距頂板高度為1.5m，側視圖、剖面圖如圖4所示。

圖4 53031巷鉆孔布置圖

2.3 注漿材料及工藝參數

（1）注漿材料。深孔注漿材料為雙液注漿材料，兩種漿液在混合前，24h時內不凝固、不泌水、不沉淀，混合后凝結時間為3～10min，水灰比為0.8時，1～8h混合后的固結體的強度能達到8～14MPa以上。該材料在不同水灰比時的抗壓強度如表1示。

（2）注漿時機。注漿鉆孔進入工作面前方距離回撤通道50～60m時開始實施注漿。

（3）注漿壓力。根據現場漏漿情況進行確定，一般終孔注漿壓力不低于15MPa，漏漿嚴重時可以降低注漿壓力。

（4）注漿設備。深孔注漿應采用流量較大、額定注漿壓力較大的液壓注漿泵，本次建議采用ZBYSB190/32-55（額定流量190L/min，額定壓力32MPa，功率55kW，重量1.9t）分體式型液壓注漿泵。注漿管：空口管采用2m長的4分鍍鋅鋼管，孔內其余部分8～10m采用1214型鋁塑管，鋁塑管和鋼管之間采用插接方式連接，并用鉚釘固定；鋁塑管的前段2～3m鉆射漿孔，成對穿布置，間距300mm。注漿封孔：在2m長空口管前后兩端纏繞鐵絲并點焊固定，在注漿鋼管的前后兩端纏繞棉紗并固定，放入孔內后再在兩端棉紗中間灌注快凝雙液注漿材料。

（5）單孔注漿量。單孔注漿量取決于超前支承壓力影響范圍和程度，單孔注漿量原則上需一直注至壓力上限為止，深孔注漿壓力達到15MPa并保持穩定，即認為該孔注滿。根據前期實驗初步測算單孔注漿量為2～3t/孔。

表1 注漿材料不同水灰比抗壓強度對比

3 效果檢驗

本次末采注漿共消耗注漿材料187.25t，其中30m孔共注5180袋，15m孔共注266袋，80m孔共注1344袋，20m孔共注700袋，合計7490袋。現場拌料水灰比采用0.6，故注進煤巖體中的漿液共計299.6t。如圖5所示，通過對比注漿前后工作面情況可知，注漿加固有效改善了工作面片幫的現象。

隨著工作面逐漸靠近主撤巷道，工作面煤壁片幫的數量以及深度呈逐漸上升趨勢。分析是由于煤柱逐漸變窄，發生塑性破壞，喪失承載能力，該情況無法避免。但是在總體上，在推進過程中工作面保持平整，偶爾有片幫現象的發生，但并不影響安全和生產。

工作面末采期間煤壁基本平整，沒有出現片幫深度大于1.0m的煤壁片幫現象，注漿加固效果明顯，工作面最后15m僅用了3d時間便全部回采完畢，使設備安全進入回撤巷道，在保證安全的同時實現了工作面與主撤巷道的快速貫通。

圖5 末采階段煤壁情況

4 結論

（1）大采高工作面煤壁前方存在一個移動支承壓力，具備明顯的分區特征。根據工作面支承應力分布規律，分析支承應力降低區為合理的注漿時機。

（2）根據5303工作面實際情況，確定了注漿時機，并設計注漿鉆孔布置和注漿系統等，形成科學可行的方案。

（3）施工完成之后，通過現場工作面煤壁觀測，對注漿效果進行了評價。結果顯示末采注漿加固注漿效果顯著，末采期間煤壁基本平整，工作面與主撤巷道快速貫通。