注漿加固技術(shù)在大采高工作面片幫治理中的應(yīng)用

翟 嵩

(山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000)

大采高綜采技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)、裝備已經(jīng)非常完善，由最初的3.5 m大采高已經(jīng)發(fā)展到了如今的8.8 m大采高，該技術(shù)以其突出的優(yōu)點被各大礦區(qū)廣泛應(yīng)用。但是隨著采高的增加，工作面煤壁穩(wěn)定性也在逐漸下降，煤壁片幫的概率及面積都有所增加[1-2]。煤壁片幫期間，飛濺的煤塊不但直接對設(shè)備及人員造成傷害，而且煤壁片幫后會使支架前方形成空頂，引起工作面冒頂，極大地阻礙了礦井安全高效發(fā)展[3-4]。

1 工程概況

山西長治王莊煤業(yè)3505工作面主要開采3號煤，煤厚5.2 m，設(shè)計采高5.2 m，煤層平均傾角為4°，工作面傾斜長度為360.5 m，走向長度為2 100 m。工作面布置210臺ZY9000/25.5/55D液壓支架，工作面直接頂為泥巖，平均厚度5.2 m，基本頂為粉砂巖，平均厚度7.20 m，直接底為炭質(zhì)泥巖，平均厚度2.40 m。遇到工作面來壓期間，煤壁會出現(xiàn)大面積片幫，片幫范圍超過工作面1/2區(qū)域，中部最為嚴(yán)重，片幫深度最大達(dá)2 000 mm，且遇到強烈來壓，局部區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重漏頂現(xiàn)象。

2 片幫機理分析

隨著工作面的推采，新的煤壁不斷暴露出來，其穩(wěn)定性受到煤體自身強度、工作面采高、支架強度等綜合因素影響。采高越大頂板來壓期間對工作面煤壁造成的集中應(yīng)力越大，當(dāng)工作面支架強度不足，頂板產(chǎn)生變形量大，彎曲變形的頂板將應(yīng)力向煤壁前方傳遞，當(dāng)煤體自身強度不足以承受高應(yīng)力時就會發(fā)生片幫現(xiàn)象。

結(jié)合工作面實際情況，分析3505工作面發(fā)生片幫的主要原因如下：

1) 工作面采高大。工作面采高大，形成的回采空間大，頂板運動產(chǎn)生的彎曲變形量大，在工作面煤壁前方形成高應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致煤體逐漸發(fā)生破壞，加之支架對煤壁的支護(hù)效果不足，導(dǎo)致工作面發(fā)生片幫現(xiàn)象，尤其在工作面來壓期間表現(xiàn)劇烈。

2) 直接頂為泥巖。工作面頂板為泥巖，強度小，裂隙較發(fā)育，受到采動及頂板壓力的雙重作用，煤層附近的泥巖頂板極易破碎冒落，當(dāng)泥巖冒落后，煤壁與頂板之間失去有效粘結(jié)，發(fā)生片幫破壞。

3) 支架支護(hù)效果差。在回采過程中直接頂易破碎，當(dāng)工作面通過破碎區(qū)時，支架接頂效果差，不能“低頭、抬頭”現(xiàn)象，不能對頂板形成有效的支護(hù)，頂板壓力就會向煤壁前方轉(zhuǎn)移，當(dāng)應(yīng)力超過煤體強度時，就會發(fā)生片幫現(xiàn)象。

3 片幫觀測及分析

為了更好地對片幫進(jìn)行防治，特對3505工作面生產(chǎn)過程中煤壁片幫特征進(jìn)行了觀測。設(shè)置專人每循環(huán)對工作面煤壁片幫情況進(jìn)行記錄，記錄內(nèi)容包括片幫的深度、寬度、位置和范圍等，觀測結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同階段工作面煤壁片幫素描(mm)

在3505工作面生產(chǎn)過程中，一直有煤壁片幫現(xiàn)象伴隨，其中初次來壓期間最為嚴(yán)重，面積大、范圍廣，工作面46.7%的區(qū)域均發(fā)生了煤壁片幫現(xiàn)象，片幫主要集中在煤壁上部；周期來壓期間片幫范圍有所減小，片幫范圍占工作面35.1%，但是強度卻并沒有減弱，主要集中在煤壁中部；正常生產(chǎn)期間片幫范圍進(jìn)一步縮小，片幫范圍占工作面29.3%，但是片幫面積及強度卻依然較大，片幫主要集中在煤壁上部。不同階段的煤壁片幫特征如表1所示。因此對于3505工作面采取有效的煤壁片幫控制措施已經(jīng)勢在必行。

表1 3505工作面生產(chǎn)過程中煤壁片幫情況

4 煤壁片幫治理技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場對煤壁觀測，尤其來壓期間破損嚴(yán)重，因此根據(jù)以往經(jīng)驗應(yīng)采用煤壁注漿加固方式來防治片幫[6]。

4.1 注漿材料

本次注漿使用高分子化學(xué)煤巖體加固材料對煤體進(jìn)行預(yù)注漿加固，漿液在普通裂隙開度和孔隙率下的擴(kuò)散半徑為1～1.5 m，開始注漿到漿液完全擴(kuò)散或滲透到被注載體中所需要的時間一般為10～15 min，注射壓力可高達(dá)21.0 MPa。

4.2 注漿孔布置

在工作面煤壁布置上下兩排注漿孔，上排孔距離頂板位置500～800 mm，根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整，孔徑為42 mm，鉆孔間距為3 000 mm，孔深6 000 mm，向上傾斜25°進(jìn)行打設(shè)，保證上排鉆孔打入直接頂內(nèi)部。下排孔與上排孔交錯布置，距離上排孔2 500 mm，孔徑為42 mm，鉆孔間距為3 000 mm，孔深4 000 mm，垂直煤壁打設(shè)。注漿孔具體布置如圖2所示。

圖2 注漿孔布置

4.3 注漿工藝流程

首先將注漿所需材料及設(shè)計帶去現(xiàn)場，專人檢查注漿設(shè)備的完好性并布置、連接注漿管路，將注漿眼與煤壁鉆孔相連接并放置好封孔器，將注漿材料吸入注漿泵內(nèi)，通過注射槍注入煤體中，注射完畢后進(jìn)行封孔并沖洗管路，進(jìn)行下一個循環(huán)，直至注漿完畢后清理現(xiàn)場。注漿工藝流程如圖3所示。

圖3 注漿工藝流程

4.4 其他輔助措施

生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制采高，要求工作面采高不得大于5.2 m；保證支架初撐力達(dá)標(biāo)，特別在來壓期間配備專人進(jìn)行支架初撐力巡查及整改；發(fā)生有漏矸區(qū)域及控頂距較大的位置及時拉出超前架；保證支架架型，要求支架前梁接頂完整；合理使用護(hù)幫板，生產(chǎn)期間要求支架護(hù)幫板必須與煤壁緊貼。

5 片幫治理效果

工作面實施片幫治理措施后，特對3505工作面生產(chǎn)過程中煤壁片幫特征進(jìn)行了觀測。觀測方法及內(nèi)容與之前一樣，觀測結(jié)果如表2所示。

表2 注漿后3505工作面生產(chǎn)過程中煤壁片幫情況

由表2可知，對3505工作面實施注漿加固治理措施后，煤壁片幫情況得到了明顯的好轉(zhuǎn)，片幫強度、范圍都明顯下降，周期來壓期間片幫范圍較之前下降了48.1%，平均片幫深度下降了66%，平均片幫高度下降了55.4%；非來壓期間片幫范圍較之前下降了67.2%，平均片幫深度下降了66.7%，平均片幫高度下降了41.0%。因此充分證明煤壁注漿可以有效防治工作面煤壁片幫。

6 結(jié) 語

1) 本文對工作面煤壁片幫機理進(jìn)行了分析，并對工作面生產(chǎn)過程中片幫特征進(jìn)行了觀測，觀測結(jié)果顯示3505工作面煤壁片幫呈現(xiàn)面積大、范圍廣的特征。

2) 根據(jù)現(xiàn)場實際情況，決定采用注漿加固措施來治理工作面片幫，對注漿材料選擇、注漿孔布置、注漿工藝流程等方面進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

3) 3505工作面片幫通過注漿加固治理，片幫強度、片幫范圍都得以明顯下降。