上社煤礦15310大采高工作面圍巖注漿加固技術(shù)

李小軍

（山西興縣華潤聯(lián)盛峁底煤業(yè)有限公司 山西呂梁035300）

0 引言

生產(chǎn)實踐表明，大采高綜采技術(shù)可以實現(xiàn)煤炭資源的高回收率、低含矸率，同時還具有適應(yīng)性強(qiáng)、推進(jìn)速渡快等特點[1-2]。但由于采高較大，礦山壓力明顯要大于普通綜采工作面，造成工作面煤壁頻繁發(fā)生片幫、頂板冒漏等事故，嚴(yán)重影響工作面的正常推進(jìn)，極大的影響礦井的生產(chǎn)效率[3-5]。本文以上社煤礦15310工作面為研究背景，首先對大采高工作面圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，進(jìn)而提出使用注漿加固技術(shù)對工作面圍巖進(jìn)行加固，實現(xiàn)了大采高工作面的安全高效開采。

1 工程概況

上社煤礦15310工作面開采15#煤層，工作面標(biāo)高+840 m～+940 m，對應(yīng)地表標(biāo)高+1 088 m～+1 205 m。15310工作面西部為尚未開采實體煤，東部為15#煤層開拓巷道，北部為1501采空區(qū)保安煤柱，南部為15308工作面。工作面長208.5 m，推進(jìn)長度為478 m，采用大采高綜合機(jī)械化采煤法，工作面共布置122架ZY8000/26/56型液壓支架，2架ZTZ12000/27/56型端頭支架，支架初撐力為6 400 kN，中心距為1.75 m。工作面范圍內(nèi)煤層厚度4.2 m～5.9 m，平均5.0 m，傾角5°～13°，平均9°，煤層普氏硬度系數(shù)2.4。工作面煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 15310工作面煤層頂?shù)装迩闆r

2 工作面圍巖失穩(wěn)原因及注漿時機(jī)確定

2.1 工作面圍巖失穩(wěn)原因分析

15310工作面回采至150 m附近時，28#～55#、74#～96#支架范圍開始陸續(xù)出現(xiàn)不同程度圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，表現(xiàn)為工作面煤壁片幫及端面頂板漏矸。尤其在80#～85#支架范圍內(nèi)，煤壁片幫深度達(dá)0.8 m～1.0 m，同時，頂板出現(xiàn)大量漏矸。為保證工作面正常生產(chǎn)，現(xiàn)場采用人工方式進(jìn)行掏幫作業(yè)以拉架維護(hù)頂板，嚴(yán)重制約大采高工作面高效生產(chǎn)。結(jié)合15310工作面煤層賦存環(huán)境、煤層力學(xué)特性等因素，15310工作面圍巖失穩(wěn)的主要原因包括以下兩點：

（1）地質(zhì)因素

15310工作面28#～55#、74#～96#支架處煤層強(qiáng)度較低，普氏硬度系數(shù)為0.8，且煤層內(nèi)生節(jié)理十分發(fā)育，煤層極為松軟破碎。且此處存在一層強(qiáng)度極低的偽頂，極易受支架反復(fù)支承影響而破碎冒漏。

（2）采煤機(jī)震動

采煤機(jī)割煤過程中形成的震動導(dǎo)致煤壁劈幫，煤層在支架前漏空，加之偽頂強(qiáng)度較低，造成端面頂板冒漏，且冒落結(jié)構(gòu)多以50 mm～250 mm塊體結(jié)構(gòu)為主，塊度較大矸石較少。因此，端面頂板難以自行穩(wěn)定。

2.2 注漿加固時機(jī)確定

注漿加固是采場圍巖控制的主要技術(shù)手段，其本質(zhì)是通過高壓將具有高強(qiáng)度、高粘聚力的漿液打入圍巖的孔隙結(jié)構(gòu)當(dāng)中，從而達(dá)到改善圍巖力學(xué)屬性，提高圍巖的整體性的目的[3]。

在工作面回采形成的采動應(yīng)力壓力作用下，采場圍巖原生裂隙將進(jìn)一步發(fā)育。因此，選擇合適的時機(jī)進(jìn)行注漿加固就顯得尤為重要。若原生裂隙未發(fā)育至一定寬度，則漿液無法充分注入圍巖內(nèi)，反之，則會導(dǎo)致漏液等穩(wěn)定，降低加固效果。為獲取合理的注漿時機(jī)，現(xiàn)場實測了工作面前方超前支承壓力分布情況，如圖1所示。

圖1 15310工作面超前壓力分布情況

結(jié)合圖1及現(xiàn)場觀測得到的不同位置處圍巖裂隙發(fā)育程度可知，15310工作面超前支承壓力影響范圍約為55 m，該范圍內(nèi)圍巖受采動應(yīng)力影響而發(fā)生一定程度的變形，但不同位置處的圍巖裂隙發(fā)育程度不一。煤壁前方20 m范圍為采動影響劇烈區(qū)域，表現(xiàn)為宏觀裂隙充分發(fā)育，形成了肉眼可見的裂隙，且與工作面空間具有一定連通性。支承壓力峰值大約位于工作面前方9 m位置，峰值點以前煤體已經(jīng)發(fā)生破壞。因此，以煤壁前方20 m～55 m范圍作為注漿區(qū)域較為合適，考慮到距離工作面過遠(yuǎn)位置處圍巖裂隙不發(fā)育，漿液難以注入，因此確定在煤壁前方20 m～40 m對煤巖體進(jìn)行注漿加固。

3 工作面圍巖注漿加固

注漿鉆孔的布置方式可以將其分為傾向注漿孔和走向注漿孔。走向注漿孔雖然注漿效率高，但會與工作面生產(chǎn)相互干擾，影響工作面正產(chǎn)生產(chǎn)，降低礦井原煤產(chǎn)量[5]。因此，決定在工作面兩巷內(nèi)布置傾向鉆孔進(jìn)行注漿，如圖2所示。

圖2 傾向注漿鉆孔布置示意圖

在15310工作面兩巷煤壁處分別施工注漿鉆孔，鉆孔施工應(yīng)提前完成，并在工作面達(dá)到適宜位置后采用高壓泵對鉆孔進(jìn)行高壓注漿。根據(jù)已有施工經(jīng)驗，選用75 mm鉆機(jī)施工大孔徑注漿孔，注漿孔長度為105 m，間距為10 m。注漿孔以三花眼形式布置，下排注漿孔傾角為1°，距巷道底板距離為2 m，上排注漿孔傾角2°，距巷道底板距離為3 m，注漿孔布置方式如圖3所示。

圖3 15310兩巷注漿孔布置方式

按水灰比0.6:1將注漿材料（加固1號）配置成漿液。根據(jù)前期實驗結(jié)果，采用20 MPa～25 MPa壓力進(jìn)行注漿時，漿液擴(kuò)散半徑為5 m～8 m，滿足設(shè)計要求。本次注漿采用ZBYSB190/32-55型注漿泵，注漿時將注漿壓力控制在20 MPa～25 MPa，在圍巖較為破碎區(qū)可適當(dāng)降低注漿壓力至15 MPa～20 MPa。

4 應(yīng)用效果

4.1 注漿量

在15310工作面兩巷分別施工13個注漿鉆孔，兩巷總鉆進(jìn)尺寸分別為1 500 m、1 530 m，注漿工程共使用注漿材料分為為222 t、232 t。其中，15310進(jìn)風(fēng)巷8號注漿孔的漿液注入量達(dá)30 t，單孔平均注入量為17 t；15310回風(fēng)巷4號注漿孔的漿液注入量達(dá)24 t，單孔平均注入注漿材料重量為17.8 t。

4.2 效果考察

在15310兩巷進(jìn)行的60 m注漿段施工共耗時14 h，注漿工程與工作面正常采掘作業(yè)不發(fā)生相互沖突。工作面推進(jìn)至注漿加固區(qū)域時，工作面絕大部分區(qū)域煤壁十分穩(wěn)定，頂板完整性較好，未發(fā)生大規(guī)模煤壁片幫事故。僅在工作面推進(jìn)至注漿加固范圍內(nèi)發(fā)生1次小范圍片幫事故，片幫范圍約為2臺支架，片幫深度為0.3 m，未發(fā)生頂板冒漏事故。相較于未采取注漿加固措施前，工作面煤壁片幫發(fā)生率降低了80%，頂板冒漏發(fā)生率降低了100%，工作面推進(jìn)速度提高約25%，現(xiàn)場取得了較為顯著的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語

根據(jù)15310工作面開采期間支承壓力分布情況及相應(yīng)區(qū)域裂隙發(fā)育規(guī)律。確定在工作面煤壁前20 m～40 m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固時效果最好。根據(jù)礦井實際生產(chǎn)要求，采用在兩巷布置注漿鉆孔的方式對工作面圍巖進(jìn)行注漿加固。注漿完成后，工作面圍巖穩(wěn)定性得到了顯著改善，相對于注漿前，工作面片幫發(fā)生率降低了80%，頂板冒漏發(fā)生率降低了100%，工作面推進(jìn)速度提高約25%，有利的保障了15310大采高工作面的安全高效生產(chǎn)。