深孔注漿加固技術(shù)在大采高工作面末采階段的應(yīng)用

范衛(wèi)軍

（山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033207）

0 引 言

大采高工作面具有單產(chǎn)高、生產(chǎn)高度集中及對(duì)煤層厚度變化適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，普遍用于我國(guó)中厚煤層開(kāi)采的各大井田[1]。但大采高工作面因推進(jìn)速度快、開(kāi)采擾動(dòng)大，生產(chǎn)過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)較為明顯，尤其是工作面末采階段，對(duì)未回采煤體壓力較大，工作面常出現(xiàn)片幫、冒頂事故，采動(dòng)影響范圍內(nèi)的順槽巷道變形加劇，不僅影響工作面推進(jìn)度及產(chǎn)量，更影響工作面安全生產(chǎn)。因此，防煤體片幫、冒頂是大采高工作面末采階段需要采取的措施。超前深孔注漿是提高煤巖體抗壓強(qiáng)度，增強(qiáng)煤體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要技術(shù)[2]，基于此，通過(guò)對(duì)寺河礦5303 工作面大采高末采階段采取深孔注漿加固，解決末采階段的片幫、冒頂問(wèn)題，以確保工作面末采階段安全、快速推進(jìn)。

1 工程概況

寺河礦5303 工作面位于礦井西五盤區(qū)中部，工作面開(kāi)采3 號(hào)煤層，煤層均厚5.7 m，工作面一次采全高，屬大采高工作面。5303 工作面煤層底板標(biāo)高-173～-206 m，地面標(biāo)高+395～+476 m，工作面走向長(zhǎng)度1 280 m，傾斜長(zhǎng)度220 m，煤層平均傾角3°。工作面共布置4 條順槽巷道，均沿煤層底板布置。通風(fēng)方式為“兩進(jìn)三回”U 型通風(fēng)。工作面南側(cè)布置53031 巷和53035 巷，其中，53031 巷為皮帶運(yùn)輸巷兼進(jìn)風(fēng)巷，53035 巷為材料運(yùn)輸巷兼進(jìn)風(fēng)巷。工作面北側(cè)布置53033、53032 和53034 巷，其中，53033巷為皮帶運(yùn)輸巷兼回風(fēng)巷，53032 巷為材料運(yùn)輸巷兼回風(fēng)巷，53034 巷為回風(fēng)巷，工作面西側(cè)為末采結(jié)束后的回撤巷。巷道平面布置如圖1 所示，煤層及頂?shù)装鍘r性物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r性物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 5303 工作面平面布置圖

2 大采高工作面煤體片幫、冒頂機(jī)理及治理思路

2.1 煤體結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理分析

大采高工作面發(fā)生煤體片幫、冒頂主要與煤體自身物理力學(xué)性質(zhì)、工作面采高、推進(jìn)度及支架阻力等因素有關(guān)[3]。煤體硬度越低，穩(wěn)定性就越差，越容易發(fā)生片幫、冒頂事故。大采高工作面因采空區(qū)頂板下沉空間大，導(dǎo)致頂板“三帶”較高，造成頂板壓力較大，從而作用到工作面煤壁上的壓力也增大，導(dǎo)致煤壁裂隙發(fā)育加劇。推進(jìn)度越低，壓力作用在煤壁上的時(shí)間越長(zhǎng)，會(huì)致使煤壁裂隙更加發(fā)育。支架阻力偏低，會(huì)導(dǎo)致作用到煤壁的壓力偏高，是引起煤壁片幫、冒頂?shù)闹饕蛩刂弧９ぷ髅婺┎呻A段，采動(dòng)應(yīng)力集中在末采煤柱上，更易引發(fā)煤墻片幫、煤體冒落。

2.2 煤體片幫、冒頂治理思路分析

根據(jù)大采高工作面煤體結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理分析可知，對(duì)煤體造成破壞主要有壓裂破壞和剪切破壞兩種形式，對(duì)大采高工作面煤體造成破壞的各類因素中，提升支架阻力是末采階段必須采取的措施，但支架阻力提升范圍有限，不能有效解決片幫、冒頂問(wèn)題，加快工作面推進(jìn)度需先解決片幫、冒頂問(wèn)題。因此，為確保有效治理片幫、冒頂，需加強(qiáng)煤體自身物理力學(xué)性質(zhì)上，即增強(qiáng)煤體自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

煤體注漿是提高煤體自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有效方法，通過(guò)注漿使?jié){液滲入煤體孔隙內(nèi)，漿液凝固后形成漿脈網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤體的固結(jié)，從而增強(qiáng)煤體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性。注漿固結(jié)煤體示意圖如圖2 所示。

圖2 注漿固結(jié)煤體示意圖

3 注漿鉆孔布置方案設(shè)計(jì)

在工作面進(jìn)入末采段前，通過(guò)工作面兩巷向末采段煤體內(nèi)施工深孔進(jìn)行注漿，從而提高末采段煤體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為末采段防片幫、冒頂和快速推進(jìn)創(chuàng)造條件。

3.1 鉆孔布置及注漿方案

1）通過(guò)工作面兩巷向末采段施工鉆孔，鉆孔深度、間距、排距布置要滿足末采段全部煤體注漿加固的覆蓋范圍。

2）鉆孔分高、低孔布置，終孔位置在回采高度范圍內(nèi)，確保漿液在煤體中均勻擴(kuò)散。

3）瓦斯抽采孔與注漿深孔合一設(shè)計(jì)。即施工瓦斯抽采鉆孔時(shí)，在滿足瓦斯抽采前提下，按照注漿深孔設(shè)計(jì)，鉆孔成孔后，先插管、封孔進(jìn)行瓦斯抽采，工作面進(jìn)入末采期后停止抽采變更為注漿鉆孔進(jìn)行注漿。該鉆孔前期進(jìn)行瓦斯抽采后，釋放瓦斯壓力，減少瓦斯壓力對(duì)煤體的破壞，后期進(jìn)行深孔注漿期間，又可通過(guò)注漿填補(bǔ)瓦斯抽采造成的煤層裂隙，從而增強(qiáng)煤體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4）工作面回采至距離回撤巷80 m 時(shí)開(kāi)始對(duì)末采段50 m 進(jìn)行深孔注漿，并監(jiān)測(cè)工作面兩巷及回撤巷圍巖變形量及變形速率。

3.2 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆孔布置方案及煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行注漿深孔設(shè)計(jì)，從工作面53031 巷及53033 巷向末采段煤體布置注漿深孔，兩巷均布置高、低2 排鉆孔，每排鉆孔數(shù)量均為8 個(gè)（控制末采段50 m），孔深均為105 m。鉆孔布置平、剖面如圖3、圖4 所示。

圖3 鉆孔平面布置圖

圖4 鉆孔剖面布置圖

如圖3 所示，下排孔距底1.5 m，上排孔距底2.5 m，孔間距均為6 m，為保證均勻注漿，上、下孔間呈“三花”布置，根據(jù)煤層傾角，53031 巷上排孔傾角為+2.5°，下排孔傾角為0°。53033 巷上排孔傾角為0°，下排孔傾角為-2.5°。

4 注漿材料與設(shè)備

4.1 注漿材料及配比選取

設(shè)計(jì)選取的注漿材料為聯(lián)邦加固I 號(hào)，該注漿材料在加水?dāng)嚢韬螅?0 min 內(nèi)均具有較好的流動(dòng)性，可滿足管路泵送及深孔注漿擴(kuò)散時(shí)間需要，且該注漿材料為超細(xì)水泥顆粒，能夠進(jìn)入煤層細(xì)小裂隙內(nèi)，保證對(duì)煤體的注漿滲透效果。40 min 后開(kāi)始凝結(jié)，9～12 h 即可完全硬化，完全硬化后單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)20 MPa 以上。不同水灰比下該注漿材料在抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表2 聯(lián)邦加固I 號(hào)不同水灰比抗壓強(qiáng)度表

水灰比配比選?。焊鶕?jù)5303 工作面末采階段注漿需要，結(jié)合鉆孔深度、凝結(jié)時(shí)間及抗壓強(qiáng)度等因素進(jìn)行綜合考慮，選取硬化時(shí)間較短、抗壓強(qiáng)度較高的0.8 水灰比。

4.2 注漿設(shè)備與注漿控制

根據(jù)深孔注漿需要，注漿設(shè)備采用壓力高、排量大的ZBYSB100/20-5 型液壓注漿泵，包括QB260 型氣動(dòng)攪拌桶、盛漿桶和輸漿管路等。注漿壓力控制在4～8 MPa，注漿期間可根據(jù)返液情況調(diào)整泵壓，當(dāng)發(fā)現(xiàn)串孔情況應(yīng)停注一段時(shí)間后復(fù)注，發(fā)生孔外漏漿嚴(yán)重時(shí)應(yīng)停注查明原因，重新封堵后方可再次注漿，確保注漿效果。注漿設(shè)備布置如圖5 所示。

圖5 注漿設(shè)備布置示意圖

5 效果分析

通過(guò)對(duì)5303 工作面末采段進(jìn)行深孔注漿，24個(gè)注漿孔共計(jì)注漿332.5 t，注漿后對(duì)注漿效果進(jìn)行分析，具體效果如下：

1）5303 工作面回采至距回撤巷120 m 后，受采動(dòng)影響及煤柱變窄原因，53031、53033 巷及回撤巷圍巖變形量及變形速率開(kāi)始逐步增大，回采至距回撤巷80 m 時(shí)對(duì)末采段進(jìn)行深孔注漿，注漿加固后監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，3 條巷道圍巖變形速率明顯變緩。

2）回采至距回撤巷80 m 前（注漿加固前），工作面回采期間片幫次數(shù)呈上升趨勢(shì)，最高片幫次數(shù)達(dá)每班11 次，片幫深度也呈增加趨勢(shì)。注漿加固后，片幫次數(shù)及片幫深度有所降低，回采至距回撤巷道50 m 以內(nèi)時(shí)，片幫次數(shù)最高僅每班6 次。

3）回采距回撤巷50m 以內(nèi)的末采段，回采期間未發(fā)生較大片幫及冒頂事故，僅用時(shí)8 天便順利回采至回撤巷，保證了工作面的推進(jìn)度，使回采設(shè)備安全進(jìn)入回撤巷，實(shí)現(xiàn)末采階段的安全生產(chǎn)。

6 結(jié) 論

1）深孔注漿可有效改善煤體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高煤體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少煤壁片幫、冒頂事故發(fā)生。

2）通過(guò)對(duì)5303 工作面末采段采用深孔注漿實(shí)施煤體加固后，提高了末采段煤柱的煤體強(qiáng)度，減緩臨近巷道的圍巖變形速率。深孔注漿加固后，末采段回采期間冒頂次數(shù)及片幫深度得到有效控制，保證了末采階段工作面的推進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)了末采段的安全生產(chǎn)及回采設(shè)備的順利回撤。