N1303 綜采工作面煤壁注漿加固防片幫技術應用

武文杰

（山西潞安化工集團古城煤礦，山西 長治 047500）

1 概述

山西潞安化工集團古城煤礦N1303 工作面位于井田東翼，工作面東西走向布置，南部為1303 運輸順槽，北部為1303 回風順槽，東部為井田邊界，西部為東翼三條大巷。N1303 工作面設計走向長度1400 m，傾向長度150 m。工作面回采煤層為山西組下部的3#煤層，煤層平均厚度為6.32 m，平均傾角為3°，含泥巖、炭質泥巖夾矸0～2 層，一般1 層，距底板約0.80 m 左右的一層較為穩定(平均厚度為0.30 m)。煤層頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，局部為砂巖；底板為黑色泥巖、砂質泥巖、深灰色粉砂巖。該煤層屬穩定型煤層。

N1303 工作面采用綜合機械化回采工藝，截至目前工作面已回采至1320 m，距停采線剩9 m。工作面回采至1300 m 處時開始留頂煤降低采高，確保工作面結采后回撤通道高度為3.5 m。受工作面回采應力影響，工作面回采至1300 m 處時煤壁出現局部破碎、片幫現象，最大片幫深度達1.8 m，導致工作面端面距加大、端面破碎嚴重、支架在破碎區內移架困難等，嚴重制約著工作面安全高效回采。

2 煤壁注漿加固原理

通過現場試驗表明，采掘工作面破碎煤體采取注漿加固后[1-5]，注漿液能夠快速沿煤體裂隙滲透，凝固后在裂隙煤體內形成擴散網絡骨架，從而改變了破碎煤體力學結構，有效提高破碎煤體整體穩定性以及單軸抗壓強度，實現裂隙煤巖體二次重組的目的。注漿加固機理主要表現在以下幾方面。

（1）提高圍巖承載能力。注漿施工時通過注漿泵將注漿液高壓注入破碎煤體內，注漿液在煤巖體裂隙內滲透、凝固等作用，使得煤巖體裂隙得到充分填充，并形成網絡脈狀骨架，將破碎煤巖體粘接成整體，從而提高煤巖體承載能力。

（2）降低圍巖受力破壞程度。采掘工作面煤巖體破碎后，煤巖體處于二向受力狀態，當煤巖體注漿加固后巖體受力狀態由二向轉變為三向，煤巖體三向受力后，穩定性及抗壓強度得到有效提高，從而降低圍巖受力破壞程度。

（3）提高錨桿（索）支護強度。破碎煤巖體注漿加固后，控制了圍巖松動圈范圍擴大現象，提高了錨桿（索）鉆孔成孔率，保證了錨桿（索）錨固段巖體穩定性，提高了錨桿（索）錨固強度。

3 破碎煤體注漿施工

3.1 注漿材料選取

（1）為了提高N1303 工作面破碎煤壁注漿加固效果，注漿材料必須滿足以下條件：① 注漿材料配比應易于調節，而且注漿材料應具有較強的流動性；② 注漿材料應具有較強的滲透力，且注漿材料凝固時間適中，凝固體強度應低于采煤機切割強度；③ 注漿材料成本低，便于購買，且應為阻燃材料。

（2）N1303 工作面破碎煤壁注漿材料初步采用煤基膏體材料、鋁基高水系材料以及馬麗散，通過分析研究發現：① 煤基膏體材料主原料為煤炭，在井下可直接獲取，成本費用低，但是該注漿材料可注性差，在裂隙煤巖體內滲透半徑小，注漿工序復雜；② 鋁基高水系材料流動性好，滲透力強，凝固體具有較強的讓壓性能，但是該注漿材料成本費用相對較高，成本費用達45 元/kg，不適于大面積注漿施工；③ 馬麗散屬于化學注漿材料，通過催化劑作用，注漿材料能夠快速滲透至巖體裂隙內，凝固后迅速膨脹對裂隙進行封堵，且凝固體抗壓強度高，能夠有效提高破碎煤巖體整體承壓強度。綜上所述，決定采用馬麗散作為注漿材料。

3.2 注漿孔布置及安裝

（1）注漿孔布置參數。N1303 工作面布置一排注漿鉆孔，鉆孔深度5.0 m，直徑45 mm，鉆孔布置在距頂板2.0 m 處煤壁上，鉆孔間距為5.0 m，仰角為30°。

（2）注漿管安裝。① 注漿孔施工完后，及時清理孔內煤屑，然后依次對鉆孔內安裝注漿花管、封孔器、注射管。其中注漿花管直徑25 mm，長度為1.0 m，封孔器長度為0.25 m，注射管長度為1.0 m，直徑為40 mm，如圖1。② 注射管安裝后對其外露端依次安裝攪拌器和雙口注射槍，注射槍分別與馬麗散、催化劑液筒連接。

圖1 注漿鉆孔內部結構剖面示意圖

（3）注漿方案。鉆孔施工完且注漿管安裝后，采用注漿泵將馬麗散、催化劑按1:1 的比例高壓注入鉆孔內，注漿壓力3.0 MPa。注漿期間發現煤體有漿液滲出時立即停止注漿，單孔注漿量47 kg，注漿時間為10～15 min。

3.3 應用效果分析

截至2020 年3 月12 日，N1303 工作面已回采至停采線位置，回撤通道已施工到位，工作面后期回采中對煤壁施工兩排注漿鉆孔，共計60個注漿孔。

N1303 工作面注漿前，煤體單軸抗壓強度不足9 MPa，注漿后通過對注漿煤塊進行單軸抗壓試驗發現，注漿煤體單軸抗壓強度提高至38 MPa，抗壓強度是注漿前的4 倍以上，大大提高了煤體穩定性，減輕了煤體應力破壞作用。

注漿后N1303 工作面在后期回采中，工作面煤壁未出現大面積片幫現象，最大片幫深度為0.4 m，端面空頂距控制在0.3 m 以下，工作面回采速度由原來3.5 m/d 提高至6.2 m/d。

4 結語

N1303 工作面破碎煤體通過注漿加固后，使煤體表層形成網絡穩定骨架，提高了破碎煤體膠結穩定性及抗壓強度，增加了破碎煤體間靜摩擦角，減輕了煤體剝離破壞作用，控制了破碎煤體片幫現象，保證了綜采工作面安全高效回采。