綜采工作面頂板及煤壁的注漿加固效果研究

梁 鴻

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

我國煤炭開采80%以上屬于地下生產工程，煤層或巖層最初平衡狀態的破壞對于工作面的安全生產造成極大的威脅，主要表現為頂板下沉、底板鼓起以及兩幫移近等。為了綜采工作面的安全生產，除了采取常規的錨桿+錨索聯合支護方式外在，還需液壓支架對頂板進行支護，并采取有效的方式對工作面頂板和煤壁進行加固[1]。目前，針對工作面頂板和煤壁的主要加固方式為注漿加固，本將結合實際生產形成注漿加固方案，并通過實踐和理論驗證注漿加固的效果。具體闡述如下：

1 820 工作面工程概況

某礦820 工作面煤層厚度范圍為1.8～4.9 m，平均厚度范圍為3.6 m；煤層的傾角范圍為30°～52°，平均傾角值為42°；該工作面的走向長度為370 m，其中傾斜工作面的走向長度為93 m。從整體上看，820 工作面煤層結構相對簡單，而且該工作面東部和南部區域的煤炭均已開采完畢；工作面西部停采線，北部為工作面下順槽[2]。實現對820 工作面的有效加固的基礎為準確掌握其頂底板條件，該工作面的頂底板條件如表1 所示。

表1 820 工作面頂底板條件

820 采用“三八制”作業方式，正規循環生產能力為199.7 t。820 工作面巷道斷面的寬度為4.2 m，高度為3.4 m，為半圓拱形狀，巷道采用錨桿+錨索聯合支護方式。錨桿直徑為2500 mm，直徑為20 mm，排距為800 mm，間距為800 mm；錨索長度為6000 mm，直徑為15.4 m，錨索間距為2000 mm。在錨索錨桿聯合支護的基礎上配置規格為50 mm×50 mm 的金屬網，所安裝金屬網的寬度為1000 mm，長度為6000 mm。820 綜采工作面巷道的支護斷面如圖1 所示。

圖1 820 綜采工作面巷道支護斷面示意圖（單位：mm）

2 820 綜采工作面頂板和煤壁注漿加固方案設計

雖然在錨桿+錨索聯合支護的方式能夠對煤層開采后所呈現的不穩定狀態進行有效控制。但是，為進一步保證煤礦綜采工作面的安全生產，避免由于煤壁片幫繼而導致的冒頂事故，還需對頂和煤壁的狀態進行深化維護[3]。

從理論上講，煤壁穩定性（煤壁片幫深度）受采高、液壓支架工作阻力、煤巖結構、采煤工藝、停采時間等因素的影響。針對煤壁片幫的現象，一般通過提高液壓支架的初撐力和工作為、改進回采工藝或者采用有效的注漿方式對頂板和煤壁進行加固。鑒于820 綜采工作面的煤壁和頂板容易破碎且在實際生產中面臨的周期來壓明顯。因此，本文將采用注漿加固方式對工作面頂板和煤壁進行加固。

所謂注漿加固指的是相煤壁和頂板巖層內進行注漿，其也是屬于對綜采工作面加固方式的一種。本工程將采用錨固和注漿加固的聯合方式，即錨注法。對于錨注法而言，可采用具備注漿功能的錨桿進行注漿；或者在普通錨桿支護的基礎上采用專用注漿管對煤壁和頂板進行注漿。鑒于采用注漿錨桿進行注漿操作的生產效率高，本工程將采用注漿錨桿完成對頂板和煤壁的注漿加固[4]。一般注漿錨桿的結構如圖2 所示。

圖2 注漿錨桿結構示意圖

針對820 綜采工作面的實際情況，設計如下注漿方案：

根據綜采工作面頂板的破碎情況安排注漿孔之間的間距。當工作面頂板為發生較為嚴重的冒頂情況時，每個液壓支架的位置布置一個注漿孔；當工作面頂板已經發生較為嚴重的冒頂情況，每個液壓支架的位置布置兩個注漿孔。所設計注漿孔的直徑為42 mm，注漿孔深度為3 m，注漿孔的傾角為45°。注漿錨桿示意圖如圖3 所示。

圖3 注漿錨桿示意圖

3 注漿加固效果分析

為驗證一體化錨桿注漿加固的應用效果。本節將基于FLAC3D 軟件建立820 綜采工作面的模型，對工作面注漿加固前后的情況進行模擬。

為保證模擬結果的準確性，能夠正確驗證錨桿注漿加固的效果，將工作面巖層、煤層的抗拉強度、抗壓強度、彈性模量、泊松比等參數一一在模型中進行設置。其中，820 綜采工作面直接頂的初次垮落步距約為16 m，老頂的初次垮落步距約為30 m，周期來壓步距為15 m。設置模型的單元格數量為22500個。所搭建的820 綜采工作面模型如圖4 所示。

圖4 820 綜采工作面注漿加固模型

根據820 綜采工作面的實際情況，模型所施加的邊界條件如下：模型頂板的載荷量為30.25 MPa[5]。在上述設置的基礎上分別對無支護狀態和采用錨桿注漿加固支護后煤壁位移量和頂板位移量進行對比，仿真結果如圖5 所示。

圖5 注漿錨桿支護與無支護對應效果圖

如圖5 所示，在未支護狀態下，820 綜采工作面的煤壁向外移近將近750 mm 的距離；而整個工作面頂板的下沉量達到370 mm；而且，隨著工作面的進一步推進煤壁移近量和頂板的下沉量還會加重。在注漿錨桿支護的狀態下，820 綜采工作面煤壁向外移近量將近90 mm，較未支護狀態得到明顯控制；整個工作面頂板的下沉量約260 mm，較未支護狀態頂板下沉量減小110 mm。

4 結語

一直以來，煤礦生產的安全性備受企業和工作人員的關注，尤其是對綜采工作面的冒頂事故。綜采工作面支護除了采用液壓支架外，還需采用錨桿+錨索+金屬鋼帶的聯合支護方式。但是，對于容易破碎工作面需采用注漿加固方式強化支護。以820 綜采工作面生產為例，同時為提高支護效率和生產效率，采用錨桿注漿加固的方式進行支護。通過數值模擬分析可知，采用錨桿注漿加固后煤壁向外移近量縮小約660 mm，頂板下沉量減小110 m。