大采高工作面深、淺孔組合注漿加固技術(shù)研究

史中剛

(晉能控股裝備制造集團(tuán)有限公司 寺河煤礦， 山西 晉城 048000)

1工程概況

綜采工作面在回采過(guò)程中，由于受到推進(jìn)速度、地質(zhì)構(gòu)造以及煤巖體巖性等因素的影響，容易發(fā)生片幫、冒頂事故[1,2]. 對(duì)于大采高工作面，煤壁和頂板破碎不穩(wěn)定的問(wèn)題更為突出[3]. 目前注漿加固技術(shù)是解決工作面片幫、冒頂問(wèn)題的有效方法[4]. 山西晉煤集團(tuán)寺河煤礦W3309工作面位于西三盤區(qū)，工作面南為西三盤區(qū)的盤區(qū)大巷(已掘)、東為W3308工作面(已采)，西為W3310工作面(正掘)，北為礦界。工作面開(kāi)采3#煤層，走向長(zhǎng)度1 711.8 m，傾斜長(zhǎng)度297.5 m，煤層平均厚度6 m，煤層為條帶狀結(jié)構(gòu)，似金屬光澤，半亮型，以亮煤為主，有夾矸1層，屬穩(wěn)定型煤層。煤容重1.46 kg/m3，煤層普氏硬度系數(shù)f=1～2. 采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1.

從表1中可以看出，W3309大采高工作面煤層上方0.4 m為炭質(zhì)泥巖偽頂，直接頂為2.15 m厚的砂質(zhì)泥巖，頂板完整性差、抗拉強(qiáng)度低，不穩(wěn)定。在回采過(guò)程中，持續(xù)遇到強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，頂板壓力大，出現(xiàn)冒頂較為嚴(yán)重現(xiàn)象?；夭蛇^(guò)程中部分支架位置隨采隨冒，冒落矸石在支架上方堆積，嚴(yán)重影響移架和工作面推進(jìn)。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)工作面巖性情況進(jìn)行分析，結(jié)合深、淺組合注漿加固技術(shù)對(duì)工作面進(jìn)行治理，以保證工作面能安全、高效生產(chǎn)。

表1 W3309工作面頂?shù)装鍘r性情況表

2 工作面注漿加固設(shè)計(jì)

2.1 深、淺注漿孔布置思路

目前通過(guò)在工作面注漿對(duì)煤壁加固，能夠起到預(yù)防片幫作用，但是從現(xiàn)場(chǎng)情況看，頂板冒落與煤壁并無(wú)絕對(duì)關(guān)系，偽頂和直接頂本身性質(zhì)才是最關(guān)鍵因素，但也不能忽視煤壁對(duì)頂板的支撐作用。另外，原始頂板雖然強(qiáng)度較低，但是較為完整、致密，是在工作面前方幾米范圍內(nèi)超前支承壓力劇烈作用下發(fā)生破碎，在采煤機(jī)截割上部煤體后，頂板暴露快速冒落，充分說(shuō)明超前預(yù)注并不一定能夠有較大的注漿量。

因此，該次預(yù)注漿加固以頂板為主，采用“淺孔表面封閉+深孔高壓擴(kuò)散”的預(yù)注漿方式，提高工作面完整區(qū)和易破碎區(qū)頂板連續(xù)性，使之形成共同承載結(jié)構(gòu)[5].

2.2 工作面鉆孔注漿方案

在工作面出現(xiàn)片幫區(qū)域和冒頂?shù)闹Ъ芊秶鷧^(qū)域首先采用淺孔封幫。工作面煤壁高度約6 m，鉆孔矩形布置，每排4個(gè)鉆孔，排距3 m，間距1.5 m，最上部鉆孔開(kāi)孔高度距離頂板0.5 m，仰角5°；其余鉆孔仰角0°. 孔深均為8 m，孔徑為42 mm. 淺部鉆孔布置見(jiàn)圖1.

圖1 工作面煤壁淺孔鉆孔布置示意圖

在淺孔封幫工序完成后進(jìn)行深孔注漿。在每個(gè)支架護(hù)幫板下方及架間各布置1個(gè)鉆孔，煤層仰角為3°，開(kāi)孔位置盡量貼近頂板，距離頂板0.5 m，鉆孔設(shè)計(jì)深度30 m，鉆孔均沿著回采方向，仰角均為8°，終孔位置進(jìn)入直接頂1～2 m，形成穩(wěn)定支點(diǎn)。深孔注漿示意圖見(jiàn)圖2.

圖2 工作面深孔鉆孔布置示意圖

3 注漿施工工藝

3.1 深孔分段注漿

在工作面淺部0～3 m，煤巖裂隙較為發(fā)育，深部大于3 m范圍，煤巖體較為完整，如果采用深孔一次注漿，漿液會(huì)優(yōu)先在淺部擴(kuò)散，深部裂隙漿液不容易擴(kuò)散。在注漿壓力作用下，淺部會(huì)出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，而深部未達(dá)到注漿加固的效果。因此采用分段注漿的方式，在淺部首先注漿，達(dá)到淺孔封閉的作用。隨后繼續(xù)套孔至設(shè)計(jì)孔深，進(jìn)行第二次注漿。具體施工工藝如下：

1) 套管安裝及固定。首先使用鉆機(jī)打3 m直徑為113 mm的鉆孔，在鉆孔中插入套管，套管為d108 mm的鋼管，每節(jié)長(zhǎng)1.5 m，兩節(jié)之間通過(guò)絲扣連接，鋼管外端接上法蘭盤，另一片法蘭盤與高壓注漿管連接，注漿將套管與鉆孔固定。

2) 分次鉆進(jìn)及注漿方式。套管固定完成后，打開(kāi)法蘭盤，使用94 mm鉆頭打鉆，繼續(xù)鉆進(jìn)30 m，退出鉆桿和鉆頭，通過(guò)法蘭盤進(jìn)漿口注漿，再進(jìn)行掃孔鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度。如果出現(xiàn)破碎、塌孔，無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)，也可以再次退鉆注漿。

3.2 注漿工藝參數(shù)

1) 封孔參數(shù)。淺孔封孔長(zhǎng)度為2 m，采用兩堵一注方式，鐵管兩端包裹棉紗，中部灌漿，見(jiàn)圖3. 工作面深孔封孔長(zhǎng)度為2 m，采用兩堵一注方式，最外部1根鐵管兩端包裹棉紗，中部灌漿。

圖3 淺孔封孔示意圖

2) 打鉆注漿順序。采取循環(huán)注漿方式，每20 m為1個(gè)循環(huán)，先注淺孔，后注深孔，每注完1個(gè)循環(huán)淺孔后，進(jìn)行深孔注漿，防止間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)裂隙重新發(fā)育。淺孔注漿順序：先注下排，后注中排,再注上排，采用間歇注漿工藝，漏漿時(shí)停泵棉紗輔助封堵漏漿點(diǎn)，復(fù)注即可凝固堵漏，淺孔注漿同一鉆孔需要多次堵漏，必須達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力，保證封幫質(zhì)量。

3) 注漿時(shí)機(jī)。注漿過(guò)早裂隙不發(fā)育，注漿量小、注漿壓力大，難以達(dá)到效果。最佳注漿時(shí)機(jī)應(yīng)該在超前支承壓力區(qū)內(nèi)，但離工作面過(guò)近，一方面會(huì)從工作面一側(cè)漏漿難以封堵，另一方面可能塌孔嚴(yán)重，影響漿液擴(kuò)散，另外造成施工緊張。淺孔根據(jù)工作面推進(jìn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)注漿。進(jìn)入工作面前方20～40 m再進(jìn)行深孔注漿，注漿始終保持超前工作面20～40 m，形成“移動(dòng)注漿”。

4) 注漿壓力。淺孔：注漿終止壓力4～6 MPa，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，或者從一處反復(fù)漏漿無(wú)法封堵時(shí)，可以換孔，注漿量過(guò)小時(shí)應(yīng)當(dāng)開(kāi)孔復(fù)注。深孔：注漿終止壓力10～15 MPa. 當(dāng)出現(xiàn)漏漿卸壓，進(jìn)行封堵注漿，成功堵漏后繼續(xù)注漿達(dá)到注漿壓力要求。

3.3 工作面注漿效果分析

經(jīng)過(guò)對(duì)工作面進(jìn)行“淺孔表面封閉+深孔高壓擴(kuò)散”預(yù)注漿加固處理，提高了工作面易破碎區(qū)頂板的連續(xù)性，使之形成共同承載結(jié)構(gòu)。通過(guò)在工作面出現(xiàn)片幫和冒頂?shù)闹Ъ芊秶鷧^(qū)域采用淺孔封幫，有效改善了煤壁強(qiáng)度，起到預(yù)防片幫作用。另外，為深孔注漿防漏漿提供了良好的條件。深孔注漿改善了工作面深部的煤巖條件。注漿加固后工作面片幫、冒頂現(xiàn)象減少，工作面能夠安全、高效推進(jìn)，表明深、淺孔組合注漿取得了良好的加固效果。

4 結(jié) 論

1) 結(jié)合寺河煤礦W3309大采高工作面在推進(jìn)過(guò)程中，持續(xù)遇到強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，冒頂嚴(yán)重現(xiàn)象。采用“淺孔表面封閉+深孔高壓擴(kuò)散”的預(yù)注漿方式，提高工作面完整區(qū)和易破碎區(qū)頂板連續(xù)性，使之形成共同承載結(jié)構(gòu)。

2) 工作面注漿采用分段注漿加固工藝，分別對(duì)淺孔和深孔注漿參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用淺孔封幫，有效改善了煤壁強(qiáng)度，起到預(yù)防片幫作用。深孔注漿改善了工作面深部的煤巖條件。深、淺孔組合注漿取得了良好的加固效果。