大采高工作面端頭破碎區(qū)注漿支護(hù)工藝研究

張曉赟

(汾西礦業(yè)集團(tuán) 雙柳煤礦，山西 柳林 033300)

我國(guó)大多數(shù)現(xiàn)代化礦井都以厚煤層大采高開(kāi)采為主，而隨著大采高工作面開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增加，工作面端頭支護(hù)成為了影響礦壓顯現(xiàn)的重要因素。 端頭是工作面與巷道相交的區(qū)域，應(yīng)力集中系數(shù)較大，冒頂與片幫發(fā)生的可能性也較大。除此之外，工作面的采高較大，巷道高度相對(duì)較小，使得端頭區(qū)存在一定的高差，加劇了圍巖的破碎，給巷道頂板管理帶來(lái)了困難。注漿加固已在礦井采空區(qū)封堵、頂?shù)装寮庸?、?fù)采區(qū)加固以及沿空留巷等方面實(shí)現(xiàn)了較大突破，其原理就是通過(guò)采用具有高黏結(jié)性、高強(qiáng)度的注漿材料對(duì)破碎煤巖體進(jìn)行加固，以恢復(fù)破碎圍巖的整體性，提高支承強(qiáng)度。因此，本文采用注漿加固的方式對(duì)巷道圍巖破碎區(qū)進(jìn)行處理，通過(guò)觀測(cè)注漿之后的圍巖變形量來(lái)判斷注漿加固端頭區(qū)是否可行有效。

在對(duì)煤巖體進(jìn)行注漿時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的注漿環(huán)境選擇合理的注漿材料、注漿時(shí)機(jī)，并且要對(duì)圍巖塑性破碎范圍進(jìn)行確定，最終確定合理的注漿孔布置參數(shù)與注漿壓力。此外，對(duì)于端頭支護(hù)還應(yīng)當(dāng)選取初凝時(shí)間短、初期強(qiáng)度高、黏結(jié)性高、成本較低的注漿材料。因此，本次試驗(yàn)選取的注漿材料為新型無(wú)機(jī)注漿材料，能夠滿足端頭區(qū)支護(hù)的基本要求。注漿時(shí)機(jī)的選取應(yīng)合理，裂隙發(fā)育較少時(shí)，未形成良好的漿液流動(dòng)通道，及時(shí)加固且加固良好，也無(wú)法避免礦壓顯現(xiàn)劇烈時(shí)，圍巖的再次破壞；而當(dāng)圍巖破碎較嚴(yán)重時(shí)，及時(shí)注漿加固且加固有效，原錨桿錨索等支護(hù)體已經(jīng)喪失支護(hù)效果，也會(huì)降低注漿支護(hù)的效果。所以，本文分別從注漿時(shí)機(jī)與注漿參數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行分析，對(duì)端頭區(qū)支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 工程概況

本文研究背景為晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦1308工作面，該工作面走向全長(zhǎng)約665 m，傾斜方向全長(zhǎng)約134 m，開(kāi)采煤層厚度6.2 m，傾角2°～8°.該工作面采用大采高一次采全高工藝布置，工作面機(jī)頭與機(jī)尾處各布置有10組過(guò)渡架，通風(fēng)方式為“兩進(jìn)一回”式，巷道布置圖見(jiàn)圖1. 注漿支護(hù)的技術(shù)路線見(jiàn)圖2.

圖1 1308工作面巷道布置示意圖

圖2 注漿支護(hù)技術(shù)路線圖

2 巷道變形量觀測(cè)

為了更加清楚地設(shè)計(jì)注漿參數(shù)，需要對(duì)13081超前巷進(jìn)行觀測(cè)。本次觀測(cè)采用“十字布點(diǎn)法”布置觀測(cè)點(diǎn)。 觀測(cè)起始位置為工作面前方60 m處，對(duì)選取的斷面頂板、底板以及兩幫進(jìn)行鉆孔，打木楔，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 巷道變形量觀測(cè)曲線圖

由圖3可知，巷道變形主要以兩幫與底板變形為主，其中兩幫最大移近量為1 220 mm，底鼓最大量為823 mm. 并且從曲線的變化趨勢(shì)來(lái)看，主要可以分為3個(gè)階段：工作面前方7 m范圍內(nèi)，巷道圍巖在這一區(qū)域變形速度緩慢，應(yīng)力逐漸降低，稱為變形減緩階段；工作面前方7～28 m，巷道圍巖在這一區(qū)域內(nèi)變形速度較快，屬于應(yīng)力逐漸增大的區(qū)域，稱為劇烈變形階段；工作面前方28 m以外的區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)變形量較小，表明受應(yīng)力影響較小，稱為初始變形階段。由此可見(jiàn)，注漿的最佳時(shí)機(jī)應(yīng)當(dāng)選擇在工作面前方7～28 m，此區(qū)域內(nèi)煤壁裂隙較為發(fā)育，且未完全喪失支護(hù)強(qiáng)度，注漿加固效果較好。

3 注水測(cè)試試驗(yàn)

為了探明巷道圍巖的裂隙發(fā)育狀況，對(duì)13081巷布置注水測(cè)試鉆孔。測(cè)試位置為工作面前方100 m處，按5 m間距共布置3組鉆孔，孔長(zhǎng)分別為6 m、8 m、10 m，開(kāi)孔位置距底板1.5 m，鉆孔傾角為15°，封孔深度為1.5 m，布置示意圖見(jiàn)圖4.

圖4 注水試驗(yàn)鉆孔布置圖

布置好注水鉆孔之后，開(kāi)始對(duì)工作面回采過(guò)程中的圍巖裂隙進(jìn)行測(cè)試。初始回采時(shí)，由于工作面距注水鉆孔較遠(yuǎn)，相鄰測(cè)試間隔為8～10 m；當(dāng)工作面距注水鉆孔30 m時(shí)，縮小測(cè)試間隔，每推進(jìn)3～4 m進(jìn)行一次測(cè)試。整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，需要保持0.02 MPa的固定靜水壓力，每次測(cè)試需統(tǒng)計(jì)10組數(shù)據(jù)的平均值作為本次試驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 注水試驗(yàn)觀測(cè)曲線圖

1) 注水速度與圍巖裂隙演變的關(guān)系為：注水速度增大表明裂隙加速擴(kuò)展發(fā)育，注水速度保持穩(wěn)定說(shuō)明裂隙擴(kuò)展停止。因此，通過(guò)觀測(cè)注水速度的變化可以判定裂隙的空間分布狀況。

2) 隨著工作面的不斷推進(jìn)，注水速度也發(fā)生不同的變化。工作面初始推進(jìn)階段，注水速度相對(duì)較小，表明此時(shí)注水位置已經(jīng)受到工作面回采的影響，形成了裂隙，但裂隙并不發(fā)育，表現(xiàn)出注水速度低的特性；當(dāng)工作面推進(jìn)至與注水位置相距25 m處時(shí)，注水速度開(kāi)始明顯提高，且隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，增長(zhǎng)速度較快，表明此時(shí)注水位置處的裂隙開(kāi)始發(fā)育，并且產(chǎn)生了新的裂隙；當(dāng)工作面推進(jìn)至與注水位置相距10 m之內(nèi)的位置時(shí)，注水速度最大且變化速度較小，表明此時(shí)裂隙已經(jīng)達(dá)到最大擴(kuò)散程度，沒(méi)有新裂隙生成，圍巖破碎程度達(dá)到最大值。由此可見(jiàn)，工作面前方8～25 m的區(qū)域?yàn)榱严栋l(fā)育階段，也是最佳的注漿區(qū)域。

3) 根據(jù)3種深度的注水鉆孔觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，8 m處的注水速度與6 m處的相差較大，但于10 m處的注水速度相差較小，由此可見(jiàn)，裂隙發(fā)育的深度主要集中在8 m以內(nèi)。因此，最佳注漿深度應(yīng)當(dāng)選取8 m為宜。

4 注漿試驗(yàn)方案

根據(jù)上述分析結(jié)果，對(duì)13081巷進(jìn)行端頭區(qū)圍巖注漿加固。加固區(qū)域?yàn)榫喙ぷ髅?00～350 m的區(qū)域，注漿孔布置位置為工作面前方30～50 m處，布置方式見(jiàn)圖6. 鉆孔為上下兩排布置，每排鉆孔間隔皆為6 m，長(zhǎng)皆為8 m，上、下排鉆孔距底板高度分別為2.5 m、1.2 m，采用傾斜向上20°布置。鉆孔布置完畢后，布置注漿管路并進(jìn)行封孔處理，隨著工作面的推進(jìn)，及時(shí)對(duì)距離工作面15～25 m的區(qū)域進(jìn)行注漿加固，并觀測(cè)工作面不同推進(jìn)長(zhǎng)度下的端頭區(qū)巷道圍巖頂板與兩幫變形量。

圖6 注漿孔布置示意圖

本次注漿選取新型無(wú)機(jī)注漿材料配置漿液，此類(lèi)型材料成本較低，且具有早期固結(jié)強(qiáng)度高，初凝時(shí)間短，1 d之內(nèi)最高固結(jié)強(qiáng)度可達(dá)8 MPa以上。試驗(yàn)采用0.5∶l水灰比配置漿液，采用雙液注漿方式注漿，注漿泵型號(hào)為2ZBQ型雙液氣動(dòng)注漿泵，單孔最大注漿量所需注漿干料1.9 t，可配置漿液3.4 t，最小注漿量所需注漿干料約0.4 t，可配置漿液約0.7 t.

5 注漿效果觀測(cè)

對(duì)工作面端頭區(qū)進(jìn)行注漿加固之后，進(jìn)行“十字布點(diǎn)法”檢測(cè)，觀測(cè)加固之后的巷道圍巖變形量變化狀況，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7.

由圖7可知：采用注漿加固之后的巷道變形量都得到了較好地控制，其中頂板最大下沉量縮小至241 mm，兩幫最大移近量縮小至689 mm，底鼓最大量縮小至376 mm. 由此可見(jiàn)，與注漿加固前相比，圍巖兩幫與底板變形都得到了較好地控制，底鼓量減小了將近45.8%，兩幫變形量減小了將近55.4%. 因此，采用注漿加固能夠有效加固圍巖破碎區(qū)，提高其整體性與穩(wěn)定性，很大程度上保障了工作面回采時(shí)端頭區(qū)的頂板穩(wěn)定。

圖7 巷道變形量觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

6 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)巷道進(jìn)行布點(diǎn)觀測(cè)以及注水測(cè)試，可以得到注漿孔最佳深度為8 m，注漿位置與工作面的最佳距離為7～28 m.

2) 采用注漿加固端頭區(qū)后，煤壁與頂板完整性較好，減小了片幫與冒頂發(fā)生的可能，為端頭區(qū)圍巖加固與頂板管理提供了基本保障。

3) 通過(guò)注漿效果來(lái)看，端頭區(qū)底鼓量減小了將近45.8%，兩幫變形量減小了將近55.4%，控制了巷道圍巖的變形程度，提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性。因此，采用新型無(wú)機(jī)注漿材料加固頂板能夠有效改善工作面端頭區(qū)域的破碎狀況，為工作面的順利回采提供保障。