大采高工作面防片幫機理及深孔注漿加固研究

趙玉亮

（山西晉煤集團古書院礦，山西 晉城 048000）

趙莊1307 工作面均為大采高工作面，由于采高較大，且煤層頂板賦存一層較薄的夾矸泥巖，泥巖強度較低，支架支護時支撐力過大容易致泥巖垮落，嚴重時甚至發(fā)生冒頂事故。針對該情況，需進行片幫原因分析，并且找到相應(yīng)的措施，為接下來的大采高工作面提供經(jīng)驗。

1 概況

1307 工作面開采3 號煤層，工作面埋深568.5m，煤厚5.4m，煤層均勻，厚度變化不大。工作面布置如圖1 所示，13074 巷與13071 巷為進風(fēng)巷，13072 巷為回風(fēng)巷。由于該工作面與1306 工作面臨近，地質(zhì)條件極為相似，故而工作面發(fā)生片幫、冒頂?shù)仁鹿实娘L(fēng)險較大，嚴重制約著工作面安全快速回采。

圖1 工作面布置示意圖

2 煤壁片幫原因分析

根據(jù)之前回采大采高1306 工作面的經(jīng)驗，經(jīng)過總結(jié)分析，煤壁片幫有以下幾個方面的原因：

（1）工作面采高較大

由于工作面采高大，推進速度快，在高強的開采強度下，工作面超前支承壓力較大，致使處于應(yīng)力增高區(qū)的煤體破碎。當(dāng)工作面推進至破碎煤體位置時，煤壁極易在支架護幫板的擠壓下進一步碎裂，導(dǎo)致大面積片幫冒頂。煤壁片幫概率和嚴重程度隨采高的增大而增強。

（2）工作面受地質(zhì)構(gòu)造的影響

回采1307 工作面前，對工作面前方地質(zhì)構(gòu)造進行了三維地質(zhì)勘探，結(jié)果表明：1307 工作面前方共有大小斷層12 個，其中7 個斷層即將在工作面回采過程中揭露。工作面過斷層時，頂板錯動較多，當(dāng)煤層大于支架最大支護高度6.2m 時，支架無法提供強有力的支護阻力防止頂板下沉等。如果該斷層影響區(qū)域較大，巷道頂板長時間無法得到有效的支撐，將造成極大的安全隱患，影響工作面的穩(wěn)定。

（3）工作面頂板為復(fù)合頂板

1307 大采高工作面煤層上存在厚度為1.2m 的泥巖，泥巖的強度小，特別容易垮落，遇水風(fēng)化。泥巖上有一層較薄的煤線，不同地方賦存情況不同，厚度不一致，但由于自身強度均較小，容易破碎，導(dǎo)致支架無法有效接頂，從而導(dǎo)致煤壁片幫及頂板冒頂。

3 煤體裂隙發(fā)育特征探測

為了解工作面煤體破碎程度，采用煤體注水的方法，探測工作面前方煤體的裂隙發(fā)育，通過注水速率以及注水量分析該區(qū)域裂隙的發(fā)育程度。

3.1 裂隙注水探測試驗

注水試驗在1307 工作面順槽展開，在1307 工作面布置4 個直徑為92mm 的鉆孔，打鉆深度為45m。首次注水在鉆機每鉆進5m 時停下，之后每鉆進3m 進行該段注水測試，每段分為3 個小階段，即每米一次，進行歷時5min 時長的注水。注水時對孔口進行封堵，封孔壓力約2 MPa，注水壓力保證在0.5MPa 的穩(wěn)定水壓。將測試結(jié)果取平均值，測試結(jié)果以1 號孔為例，工作面距離與注水量關(guān)系特征如圖2 所示。

圖2 工作面與注水量關(guān)系特征

由圖2 可知，注水量整體隨著鉆孔深度增加逐漸降低，表明距離工作面越遠，煤體內(nèi)部裂隙發(fā)育程度越低，煤體整體性較好。并且，從圖中還可以看出，距離工作面6～10m 處的注水量最大，證明由于采高較大，工作面超前支承應(yīng)力對煤體影響較大，煤體產(chǎn)生了很多節(jié)理等結(jié)構(gòu)面，注水量31～34L/min。隨后注水量緩慢降低，在距離工作面18m 后，注水量開始驟減，表明超前支承應(yīng)力升高區(qū)影響范圍約為18m。在鉆孔深度為32m 左右注水時，注水量達到最低約7L/min，且之后的注水量保持穩(wěn)定，在7～9L/min 范圍內(nèi)波動，表明32m 之后即為原巖應(yīng)力區(qū)域，煤體只有較少的裂隙發(fā)育。

根據(jù)距離工作面距離與注水量的關(guān)系，可以將工作面前方破碎煤體進行劃分。0～12m 裂隙發(fā)育程度最大，為裂隙發(fā)育區(qū)；12～32m 范圍內(nèi)，煤體裂隙發(fā)育程度高于原巖應(yīng)力區(qū)煤體，故而劃分為裂隙緩慢增長區(qū)。

3.2 測窗法觀測裂隙試驗

為了進一步探明工作面前方煤體內(nèi)部裂隙發(fā)育程度和發(fā)育規(guī)律，工程實踐中同時采取了煤壁測線法對煤體的裂隙發(fā)育程度展開監(jiān)測。在13072 巷工作面前方60m 處布置，測線水平布置在巷道中部，長度約10m。觀測與測線相交的裂隙的數(shù)目、裂隙的跡長及大致發(fā)育傾向。當(dāng)工作面不斷推進時，煤壁的裂隙發(fā)育程度會發(fā)生變化。如圖3 所示為從距離工作面60m 推進至距離測點20m 時測點煤體的發(fā)育過程。測點起初距離工作面60m。

由圖3 可知，工作面距離測點60m 時，測線范圍內(nèi)煤壁較為完整，只有少數(shù)縱向裂隙，未受到采動影響；距離工作面30m 時，測線范圍內(nèi)煤幫裂隙數(shù)量逐漸增加；距離工作面20m 時，測線范圍內(nèi)煤幫裂隙數(shù)目增長速度明顯加快。根據(jù)對所有裂隙總量統(tǒng)計，煤壁裂隙發(fā)育主要以縱向劈裂型裂紋為主。

圖3 測窗裂隙發(fā)展實測與素描圖

隨著工作面的回采，測窗內(nèi)煤體的裂隙會持續(xù)擴張，最終相互貫通，形成較大、較深的裂隙。工作面前方20m 范圍內(nèi)，裂隙以大型裂隙為主，并且裂隙發(fā)育速率最快，短裂紋加速向長裂紋發(fā)展，并以縱向發(fā)育的裂紋為主，煤壁裂隙并逐漸形成網(wǎng)狀裂隙組合。

4 深孔注漿方案及效果考察

4.1 深孔注漿方案

在大采高工作面順槽中共施工鉆孔34 個，鉆孔孔徑75mm，鉆孔間距5m，最終鉆孔施工深度基本在80～100m。鉆孔布置情況如圖4 所示。

圖4 13071 巷試驗鉆孔布置圖

鉆孔分為三個區(qū)域，每個區(qū)域四個鉆孔，間距5m，排距5m，平均距離工作面30m、40m、50m 范圍。第一區(qū)域的鉆孔，共計使用注漿材料14.5t，第二區(qū)域鉆孔使用注漿材料12.08t，第三區(qū)域使用注漿材料7.4t。

綜合分析后可知，距離工作30m 范圍使用注漿量最大，說明該區(qū)域裂隙發(fā)育程度最高；隨著距離工作面距離增大至40m，注漿量減少了16.69%，表明裂隙減??；增大至50m 時，注漿量僅為第一區(qū)域的51.03%，由于該區(qū)域處于原巖應(yīng)力范圍，故而裂隙較少。

由此可以看出，距離工作面距離越近，裂隙發(fā)育程度越高，注漿量也就越大。僅考慮注漿量的情況下，注漿位置越靠近工作面越好，但距離工作面越近煤體越破碎，鉆孔無法正常施工，且存在漏漿現(xiàn)象，同時材料凝固時間較短。綜合考慮以上因素，將工作面深孔注漿的合理時機和區(qū)域確定在超前工作面30～40m 范圍內(nèi)。

4.2 鉆孔窺視結(jié)果

鉆孔窺視能夠較好地觀察注漿后煤體內(nèi)部情況，是檢驗注漿效果的有效手段。因此，1307 工作面深孔注漿完成后，選擇一些注漿鉆孔進行窺視，通過對不同深度（15m、20m、25m、30m）的鉆孔內(nèi)部孔壁完整性展開分析，對此次深孔注漿加固的效果進行考察。不同深度鉆孔窺視圖如圖5 所示。

從鉆孔窺視結(jié)果可以看出，距孔口15m 內(nèi)由于裂隙最發(fā)育，故而漿液最多。隨著深度增加，裂隙越來越少，煤體內(nèi)部漿液注漿減小。注漿加固后，鉆孔成孔效果良好，漿液完全填充在煤體中的裂隙中，并且將周圍較破碎的煤體膠結(jié)在一起，使得煤體整體穩(wěn)定性大幅提高。鉆孔窺視表明，30m 范圍內(nèi)的深孔注漿有效加固了1307 大采高工作面極易冒頂、片幫區(qū)域，使煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整。

圖5 注漿后鉆孔窺視結(jié)果

5 結(jié)論

（1）大采高工作面往往面臨嚴重的片幫問題，深孔注漿加固成為防止片幫的有效措施。

（2）通過工作面分段注水試驗，探明工作面前方裂隙發(fā)育情況，將工作面前方破碎煤體劃分為裂隙發(fā)育區(qū)（0～12m）和裂隙增生區(qū)（12～32m）。開展測窗法觀測裂隙，發(fā)現(xiàn)工作面前方20m 范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育速率最快，以縱向發(fā)育的裂紋為主，煤壁裂隙并逐漸形成網(wǎng)狀裂隙組合。

（3）設(shè)計深孔注漿方案，開展工作面深孔注漿加固。鉆孔窺視考察結(jié)果表明，注漿加固后煤體內(nèi)部完整，注漿加固效果良好。