綜采工作面復合頂板深孔注漿控制技術研究

王亞楠

（山西澤州天泰坤達煤業有限公司，山西 晉城 048019）

0 引言

大采高綜采工作面具備機械化程度高、推進速度快等優點，同時隨著采面高強度開采的不斷推進，采面回采期間礦壓顯現顯著，容易出現煤壁片幫或者冒頂等事故，制約采面生產[1-3]。同時在采面回采區域內發育有陷落柱、斷層、破碎頂板或者復合頂板時，采面頂板管理難度會顯著增加[4-5]。現階段針對頂板問題，普遍在采面內布置注漿鉆孔并注入化學漿液，但是現場應用時存在注漿成本高、化學漿液消耗量大以及采面注漿影響生產等問題，同時化學漿液存在有一定的腐蝕性、毒性等問題[6-8]。山西某礦3305 綜采工作面在開采范圍內部分區域為復合頂板，采面在復合頂板區域內回采時面臨頂板控制難度高、冒頂以及片幫等問題，為此依據采面現場情況提出在回采巷道內進行深度注漿提高復合頂板及煤體強度及承載能力，減少采面內化學漿液注入量，以便為采面安全高效回采創造良好條件。

1 工程概況

3305 綜采工作面回采的3#煤層厚度均值4.75 m，埋深360 m，傾角2°～6°，采面采用大采高開采工藝。3305 綜采工作面設計走向長度1 350 m、斜長294 m，采用U 型通風方式，其中33051 巷為進風巷、33052 巷為回風巷，采面回采巷道均為矩形巷道，凈寬5.0 m、凈高4.5 m。根據鄰近采面（3305 綜采工作面）開采以及本采面回采巷道掘進揭露顯示，在3305綜采工作面切眼前方120～320 m 范圍內受區域地質構造影響，3#煤層頂板為復合頂板，具體采面布置及復合頂板位置如圖1 所示。

圖1 采面布置及復合頂板位置示意圖

3305 綜采工作面切眼前方120～320 m 范圍內3#煤層頂板上有厚度0.5～3 m、呈薄層狀泥巖，泥巖上部為厚度0.2～0.4 m 的薄層狀煤線。該區域復合頂板遇水容易膨脹，在采面回采巷道掘進期間不穩定，表現為頂板離層、掘進迎頭頂板冒落等問題。同時鄰近的3303 綜采工作面在過復合頂板區域內時冒頂、煤壁片幫等問題表現突出，雖在采面內注入大量化學漿液提高了頂板強度及穩定性，但是采面回采也受注漿影響較為顯著，同時化學注漿漿液成本較高。為此，文中提出在3305 綜采工作面復合頂板區域，在回采巷道內向頂板及煤壁施工深部注漿鉆孔，并注入超細水泥基注漿材料，以便實現復合頂板超前治理，降低采面回采期間煤壁片幫、漏頂影響并減少采面內化學漿液注入量。

2 深孔注漿技術方案

2.1 注漿鉆孔布置參數

采面煤壁對頂板起到支撐作用，若僅加固頂板而忽略煤壁加固，當煤壁片幫后懸空頂板在上覆壓力作用下仍容易出現冒落問題。3305 綜采工作面回采的3#煤層整體強度偏低、煤體松軟破碎，因此深孔注漿需同時對頂板及煤壁進行加固。依據3305 綜采工作面現場情況，提出在回采巷道內布置兩排注漿鉆孔，上排注漿鉆孔用以復合頂板加固、下排鉆孔加固煤體中上部。

3305 綜采工作面走向及傾向均為近水平布置，在33051 巷及33052 巷內布置的注漿鉆孔參數一致，上下兩排注漿鉆孔均為“三花眼”形式，上排、下排鉆孔開孔距巷道底板分別為3、2 m，仰角分別為6°、5°，孔深均為100 m，鉆孔孔徑均為94 mm，間距為10 m，具體鉆孔布置情況如圖2 所示。

注漿孔內采用Φ150 mm 鋼管+Φ45 mmPVC 管組合方式，在孔口注漿管為長度16 m、Φ150 mm 鋼管，內部為長度84 m、Φ45 mm 的PVC 管，PVC 管靠近孔底的20 m 范圍內花管，便于注漿漿液擴散。注漿鉆孔采用兩堵一注封孔方式，封孔長度為16 m，具體鉆孔封孔結構如圖3 所示。在封孔段兩端用寬度1 m棉紗封堵，中間通過鋁塑管注入水泥漿。

圖3 鉆孔封孔結構

2.2 注漿材料及封孔方式

注漿材料選用超細水泥基注漿材料，材料細度超過1 500 目，注漿漿液水灰質量比控制在0.6∶1，并在漿液中加入一定量添加劑，使得初凝時間控制在40 min 左右，滿足漿液攪拌、長距離泵送、緩慢擴散等需要。采用的超細水泥基注漿材料由于具備粒徑小、超細等特點，漿液在注漿壓力作用下可在較小的裂隙中長距離擴散，實現高效注漿。同時漿液膠結24 h 后抗壓強度即可達到24 MPa 以上。

注漿時選用ZBYSB220/28-55 注漿泵，注漿流量為0～220 L/min，注漿壓力在0～28 MPa 范圍內可調整，配套采用QB300 型氣動攪拌桶。深孔注漿鉆孔注漿壓力設計為15～20 MPa。

為減少鉆孔漿液外溢量，在注漿加固段巷道表面噴射厚度超過100 mm、強度C25 混凝土。在注漿期間若出現漏漿時，可先暫停注入，采用棉紗封堵注漿裂隙。

3 現場應用效果分析

在33051 巷及3305 巷均布置41 個注漿鉆孔，注漿量分別為300、344 t，單孔注漿量平均為7.3、8.4 t。3305 綜采工作面推進至超前注漿加固區后，絕大部分區域煤壁平直、頂板結構完整，采面回采期間片幫共計發生25 次、未有冒頂出現，其中片幫最大深度、寬度分別為0.75、1.3 m，片幫基本不會給3305 綜采工作面正常回采帶來制約。3305 綜采工作面僅局部頂板不穩定性區域布置化學注漿鉆孔，共計消耗化學漿液680 桶，采面耗時42 d 通過復合頂板區域，推進速度保持4.8 m/d。

與工程條件相似的3303 綜采工作面在復合頂板區域內回采時，采面片幫、冒頂次數超過100 次，采面內需頻繁布置注漿鉆孔對頂板進行加固，制約煤炭回采；在過復合頂板區域內時采面共計注入3 200 桶化學漿液，耗時65 d 通過，推進速度平均為3.1 m/d。

3305 綜采工作面通過在回采巷道內布置注漿孔進行深孔注漿，實現了復合頂板及松軟煤體超前加固，有效減少了采面內化學漿液注入量，并為采面安全高效回采創造良好條件。通過超前深孔注漿后，3305 綜采工作面在復合頂板區域內回采時冒頂問題得以較好解決，雖然有局部片幫，但是片幫規模較小，不會制約采面正常回采。

4 結論

1）3305 綜采工作面采用大采高開采工藝，一次開采高度大，回采期間采動壓力明顯，附近煤巖體采動影響大，采面回采期間容易出現片幫及冒頂問題，特別是在切眼前方120～320 m 范圍內回采時，由于煤層頂板為復合頂板，導致片幫及冒頂問題更為突出，制約采面回采。鄰近的綜采工作面在過復合頂板區域時在采面內通過注入化學漿液方式加固復合頂板，存在注漿工程量大、成本高以及制約生產等問題。為此提出在3305 綜采工作面回采巷道內布置深孔注漿鉆孔對復合頂板及煤壁進行超前加固，降低注漿加固對采面生產影響。

2）在回采巷道內布置上、下兩排注漿鉆孔，實現復合頂板及3#煤層中上部煤壁加固，注漿漿液選用價格較低、安全以及可注性好的超細水泥基注漿材料，并對注漿工藝進行詳細探討。現場應用后，3305綜采工作面在回采過復合頂板區域時頂板基本保持穩定，未出現有冒頂情況，同時煤壁片幫范圍及影響較小，不會給采面回采帶來影響。