陷落柱影響區(qū)綜放工作面煤壁及頂板超前注漿加固技術(shù)

田 杰

（山西晉煤集團趙莊二號井，山西 長治 047100）

綜采放頂煤是我國厚煤層的主要開采方法之一[1-3]。由于其一次開采厚度大，礦壓顯現(xiàn)強烈，特別是在工作面過構(gòu)造期間，由于圍巖破碎，承載能力低，煤壁片幫增大，工作面出現(xiàn)漏頂現(xiàn)象，極易引發(fā)大面積冒頂事故[4-6]。因此，保證煤巖體穩(wěn)定，防止片幫冒頂，是實現(xiàn)安全高產(chǎn)所必須解決的問題。

1 工程概況

趙莊二號井2309 工作面位于礦井西翼盤區(qū)，所處水平為+471m 水平，開采煤層為3#煤層。工作面煤層底板最高標高+486m，工作面走向長1465.6m，傾斜長度155.7m，煤層平均厚度4.6m，煤層傾角平均2°，采用綜采放頂煤后退式采煤法。3 號煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頂板主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖組成。泥巖節(jié)理裂隙發(fā)育，砂質(zhì)泥巖層理較發(fā)育，巖石強度中等，粉砂巖、砂巖層結(jié)構(gòu)相對完整，致密堅硬。根據(jù)2309 工作面槽波探測成果，結(jié)合鉆探結(jié)果，可以看出，對工作面回采影響較大的地質(zhì)構(gòu)造包括：JDF70 正斷層、JDX16 陷落柱和X40、X41、X42 三個陷落柱。根據(jù)各個異常區(qū)對工作面影響程度，決定對工作面回采影響最大的JDX16 陷落柱進行加固研究分析，如圖1 所示。

圖1 工作面布置及構(gòu)造分布

2 注漿加固方案

JDX16 陷落柱鉆探結(jié)果顯示陷落柱內(nèi)無水。4#異常區(qū)影響范圍較大，此處煤層在走向、傾向上近水平，23091 巷一側(cè)略高，計劃在23091 巷、23092巷兩順槽開孔注漿加固。為保證陷落柱注漿加固效果，采用全覆蓋、深淺孔相結(jié)合的方式，淺孔進行淺部裂隙封堵，深孔進行陷落柱加固。

結(jié)合工作面實際情況，深孔加固范圍為機采高度中上部和機采高度上方2m 頂板，設(shè)計兩種鉆孔。下排鉆孔加固機采高度中上部，防止片幫，終孔位置在機采范圍頂部下方0.8m；上排鉆孔加固機采高度上方2m 頂板，防止冒頂，終孔位置在機采范圍頂部上方1m。23091 巷鉆孔設(shè)計深度80m，23092巷鉆孔深度設(shè)計85m。如圖2 所示

圖2 深孔布置剖面示意圖

2.1 鉆孔布置

根據(jù)陷落柱在工作面推進方向的影響范圍，需對陷落兩側(cè)各15m 范圍均進行注漿加固，注漿加固鉆孔布置范圍在陷落柱兩側(cè)各10m。

（1）淺孔布置

淺孔加固范圍為每巷80m。鉆孔上下兩排，矩形布置，上排孔開孔高度距離底板2m，鉆孔間距2m，垂直于煤幫；下排孔開孔高度距離底板1m（可以根據(jù)皮帶高度適當調(diào)整），鉆孔間距2m，垂直于煤幫。鉆孔孔深8m，孔徑均42mm。鉆孔布置平面圖如圖3 所示。

圖3 淺孔布置平面示意圖

（2）深孔布置

23091 巷考慮皮帶、搭架對開孔高度影響，布置單排鉆孔，開孔高度距離底板1.5m，鉆孔間距5m，孔徑Ф75mm，鉆孔仰角為0°。23092 巷深孔分上下兩排，上排孔開孔高度距離底板2m，鉆孔間距10m，孔徑Ф75mm；下排孔開孔高度距離底板1m，鉆孔間距10m，孔徑Ф75mm，鉆孔仰角為2°。如圖4 所示。

2.2 注漿管路及封孔

淺孔采用6 分無縫鋼管進行注漿及封孔，每個鉆孔放3 根，每根2m，封孔長度為2m，兩頭纏棉紗，中間采用水灰比0.6:1～0.8:1 的雙液注漿材料封堵。深孔注漿管路采用“6 分無縫鋼管+PVC 管”組合方式，鋼管和PVC 管均加工成2m/根，插管長度盡可能長。封孔長度10m，封孔方式與淺孔一致。

圖4 深孔布置平面示意圖

2.3 注漿壓力及水灰比

注漿壓力對注漿效果影響較大，合理的注漿壓力是保證注漿加固效果重要的因素。結(jié)合趙莊二號井陷落柱影響區(qū)煤巖體節(jié)理裂隙發(fā)育情況，以及煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)，確定淺孔注漿壓力4～8MPa，深孔注漿最大注漿壓力控制在12～20MPa。單液正常注漿水灰比0.6:1，雙液正常水灰比為0.8:1。

3 效果分析

3.1 片幫、冒頂統(tǒng)計分析

對工作面過陷落柱期間煤壁片幫、冒頂情況進行統(tǒng)計分析，可知：正常區(qū)域工作面順利回采，沒有片幫冒頂現(xiàn)象；在異常未加固區(qū)域，出現(xiàn)較嚴重的片幫冒頂現(xiàn)象，工作面甚至3～4d 不能推進；通過異常注漿加固區(qū)邊緣時，工作面沒有片幫，頂板大部分良好，僅有個別架出現(xiàn)漏矸掉渣現(xiàn)象。說明注漿加固后工作面通過時，與正常區(qū)域區(qū)別很小，頂板良好，而通過未經(jīng)注漿加固的異常區(qū)時，頂板破碎冒落嚴重。

3.2 支架工作阻力

工作面通過正常區(qū)域時，支架阻力一般在2300～2580kN 之間。工作面通過注漿加固過的異常區(qū)域時，支架阻力一般在2400～2800kN 之間，比正常區(qū)域略有增大，原因是工作面部分區(qū)域有少量的頂板破碎、輕微壓架現(xiàn)象。工作面通過未進行注漿加固的異常區(qū)時，支架阻力一般在2700～3500kN 之間，較正常區(qū)域明顯增大，原因是發(fā)生較嚴重的片幫、冒頂，大量破碎矸石冒落壓架，工作面甚至數(shù)天不能推進，支架阻力明顯增大。從側(cè)面說明，經(jīng)過注漿加固的異常區(qū)，頂板良好程度與正常區(qū)域基本相當，可以順利回采，而未經(jīng)注漿加固的異常區(qū)，極容易發(fā)生冒頂壓架。如圖5 所示。

3.3 工作面推進速度

正常區(qū)域工作面推進速度約3.01～3.08m/d。由于4#異常區(qū)陷落柱提前揭露，該區(qū)域10m 范圍未注漿，工作面片幫、冒頂較為嚴重，工作面推進速度降低為1.47m/d，約為正常區(qū)域的一半。工作面經(jīng)過4#異常區(qū)陷落柱內(nèi)部時，為注漿區(qū)域，中部存在大量堅硬矸核，需要爆破處理，十分費時，但煤壁頂板均良好，未出現(xiàn)片幫冒頂情況。工作面出4#異常區(qū)陷落柱邊緣的10m 范圍時，為注漿區(qū)域，不存在堅硬矸核，回采速度明顯加快，平均速度2.5m/d。工作面通過4#異常區(qū)20m 后，揭露另一異常區(qū)，未注漿加固，回采速度降至0.97m/d。由表1 可以看出，經(jīng)過注漿加固后的異常區(qū)，工作面煤壁頂板得到強化，片幫、冒頂問題大幅減少，推進速度較快，為正常條件下的83%，比未注漿區(qū)域提高70%以上，顯著優(yōu)于未注漿加固的異常區(qū)。

圖5 工作面支架壓力曲線圖

表1 不同區(qū)域工作面推進速度表

4 結(jié)語

采用深淺孔相結(jié)合的注漿加固技術(shù)改造陷落柱影響區(qū)，可以有效控制深孔注漿過程中漏漿的問題，且淺孔注漿可對深孔封孔段進行加固，保證了注漿加固效果。通過工作面回采過程中的效果考察可知，對陷落柱影響區(qū)進行注漿加固后，可以有效控制工作面煤壁片幫及頂板冒頂，工作面過陷落柱期間的推進速度達到正常區(qū)域推進速度的80%以上，比未注漿加固區(qū)提高70%，保證了工作面安全高效開采。