南河煤業(yè)工作面黃泥巖頂板注漿加固技術(shù)研究

王阿東，張廣杰，趙金琳，何志偉

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)南河煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400；2.河南理工大學(xué)河南理工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河南 焦作 454003；）

南河煤業(yè)15110工作面頂板是黃泥巖侵入K2石灰?guī)r的頂板，在其回采期間上方頂板發(fā)生破碎、離層、漏矸或冒頂?shù)目赡苄暂^大，對(duì)礦井安全回采帶來嚴(yán)重影響。確保工作面正?；夭傻那疤崾琼敯灏踩€(wěn)定，因此本文基于工作面黃泥巖頂板特征，研究黃泥巖頂板成因及其工作面破碎區(qū)域特性，提出在切眼、回采巷道向工作面頂板超前預(yù)注漿加固改性控制方法，使工作面能夠以正常速度安全回采。

1 工程背景

15110工作面開采15號(hào)煤層，煤厚平均3.85 m，煤厚變化較大，常夾0～2層夾矸，普氏系數(shù)為2～6，傾角平均達(dá)到23°。工作面埋深在47～193 m之間。工作面走向長(zhǎng)度為430 m，傾斜長(zhǎng)度為122 m，其回采巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，頂板為黃泥巖侵入的K2灰?guī)r，局部為黑色泥巖，底板為泥巖或粉砂巖。工作面煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 15號(hào)煤層綜合柱狀圖

針對(duì)15110工作面含黃泥侵蝕的灰?guī)r頂板，其頂板具有軟弱的特性，工作面回采期間頂板管理困難，不利于安全開采等問題，需要對(duì)工作面黃泥巖頂板成因、現(xiàn)場(chǎng)鉆探結(jié)果及頂板治理方法研究分析。

2 黃泥巖頂板成因及現(xiàn)狀分析

2.1 黃泥巖頂板成因分析

目前黃泥巖頂板有四種存在形式：①賦存于K2灰?guī)r之下，直接位于煤層之上，與煤層之間接觸界面清晰，呈彎曲狀形態(tài)，厚度不一，黃泥因含水率不同，有泥化和離層現(xiàn)象，巷道開挖后出現(xiàn)離層脫落，頂部出現(xiàn)空間大小不等的空洞，為強(qiáng)化支護(hù)采用工字鋼和木垛填充支護(hù)措施；②充填于K2灰?guī)r巖溶裂隙，呈不規(guī)則狀、薄餅狀，厚度隨裂隙空間大小而變化，在黃泥層表面可見紅色氧化膜存在；③以黃泥夾層形式賦存于頂板K2灰?guī)r之間，屬灰?guī)r垂向沉積環(huán)境演變發(fā)生巖石相變的產(chǎn)物；④黃泥巖呈層狀覆蓋于K2灰?guī)r之上，屬于沉積環(huán)境垂向演化的正常泥巖經(jīng)地下水浸潤(rùn)和長(zhǎng)期遭受風(fēng)氧化后產(chǎn)生泥化作用形成軟弱巖層，若下部K2灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育則軟弱巖層在上覆地層壓力作用下被擠入巖溶裂隙，導(dǎo)致灰?guī)r巖溶裂隙被黃泥充填。

根據(jù)黃泥巖賦存狀態(tài)可知，黃泥巖實(shí)質(zhì)是煤系地層發(fā)育的灰黃色泥巖遭受地下水長(zhǎng)期浸潤(rùn)發(fā)生泥化作用形成的產(chǎn)物。沁水盆地K2灰?guī)r與上覆地層之間屬于連續(xù)沉積，沒有發(fā)生沉積間斷，不存在大型沉積間斷面使灰?guī)r風(fēng)氧化形成風(fēng)化殼，所以不是風(fēng)氧化帶產(chǎn)物。據(jù)石炭系地層出露和K2灰?guī)r發(fā)育特征，大氣降水和CO2對(duì)K2灰?guī)r存在長(zhǎng)期溶蝕作用，加之石炭系中發(fā)育的黃鐵礦形成酸性地下水給碳酸鈣溶蝕產(chǎn)物和相鄰軟巖泥化提供了沉積場(chǎng)所。K2灰?guī)r長(zhǎng)期溶蝕產(chǎn)生的裂隙-溶洞和地表發(fā)現(xiàn)的陷落柱通道，為淺部大氣降水向深部滲流創(chuàng)造了地下水的徑流通道，使大氣中CO2和降水源源不斷地沿灰?guī)r溶蝕通道或砂巖裂隙通道進(jìn)入深部地層，導(dǎo)致灰?guī)r中夾層泥巖和相鄰的灰黃色泥巖在長(zhǎng)期遭遇地下水的浸潤(rùn)而軟化。由于黃泥巖的主要礦物組成是黏土巖，黏土礦物含量占比約60%，親水性和吸水性能力增強(qiáng)，當(dāng)灰黃色泥巖達(dá)到飽水狀態(tài)時(shí)，隨地質(zhì)時(shí)間延長(zhǎng)，軟化的灰黃色泥巖逐漸發(fā)生泥化作用形成黃泥，若沒有人為干擾依然保持層狀特征，只是含水率大大增加，當(dāng)遇到地下采礦活動(dòng)形成的可容納空間時(shí)便在自重和地應(yīng)力擠壓作用下進(jìn)入井下巷道或采煤工作面，這些黃泥在地下水過飽和作用下甚至形成流動(dòng)態(tài)-泥流，嚴(yán)重影響井下采礦作業(yè)和煤層頂板支護(hù)。

根據(jù)黃泥巖成因和K2灰?guī)r巖溶發(fā)育程度，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律可預(yù)計(jì)，在灰?guī)r厚度較大、溶蝕作用較弱的區(qū)域黃泥巖發(fā)育程度較低，而在灰?guī)r溶蝕作用強(qiáng)烈、泥巖發(fā)育的區(qū)域黃泥巖發(fā)育程度增大。據(jù)此，可根據(jù)緊鄰K2灰?guī)r的黃泥巖厚度預(yù)測(cè)黃泥巖的發(fā)育規(guī)律。但要降低黃泥巖的含水性，就必須從防治水的角度截?cái)郖2灰?guī)r的導(dǎo)水通道或降低大氣降水對(duì)K2灰?guī)r含水層的補(bǔ)給來源，同時(shí)在井下灰?guī)r含水層的富水區(qū)域進(jìn)行疏放K2灰?guī)r水和“兩帶”高度內(nèi)的砂巖裂隙水，以減緩或解除含水層積水對(duì)黃泥巖的軟化和泥化作用。

圖2 15110工作面鉆孔探測(cè)圖

2.2 工作面頂板破碎區(qū)域分析

15110工作面整體為單斜構(gòu)造，兩順槽西高東低，落差約36～45 m。據(jù)工作面鉆探結(jié)果知道，工作面0～360 m段煤層受風(fēng)氧化影響較小，360～520 m段煤層受風(fēng)氧化影響嚴(yán)重，多數(shù)鉆孔內(nèi)見氧化煤，現(xiàn)場(chǎng)揭露時(shí)頂板局部有黃泥覆蓋，頂板破碎不完整，如圖2所示。15110回采巷道在掘進(jìn)期間遇到直接頂含黃泥夾層等強(qiáng)度較低的軟弱頂板，因其軟弱巖層的存在導(dǎo)致頂板強(qiáng)度、完整性及承載能力減弱，頂板易在黃泥巖界面發(fā)生離層現(xiàn)象，且施工期間黃泥巖遇水膨脹、呈膠狀體，鉆機(jī)排渣困難，容易卡鉆，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和巷道穩(wěn)定性。

3 工作面頂板注漿加固技術(shù)

3.1 黃泥巖頂板治理思路

根據(jù)黃泥巖頂板成因分析結(jié)果可知，K2灰?guī)r長(zhǎng)期溶蝕產(chǎn)生的裂隙-溶洞，使得頂板灰?guī)r不完整且強(qiáng)度低，因此提出對(duì)頂板改性的思路對(duì)頂板進(jìn)行注漿加固，使其黃泥巖頂保持完整性。注漿還可具有網(wǎng)絡(luò)骨架支承加固（巖體受壓后出現(xiàn)許多裂隙，實(shí)施注漿后漿液使巖體裂隙膠結(jié)，并形成骨架支承結(jié)構(gòu)）、改變煤巖體的破壞機(jī)理和充填壓密的功能（漿液凝結(jié)后的注漿材料將裂隙填充，同時(shí)使破碎的巖石面膠結(jié)到一起，能有效減弱在裂隙兩端出現(xiàn)應(yīng)力過高的現(xiàn)象，圍巖的破壞機(jī)理得到很好改善）、提高煤巖體強(qiáng)度（注漿期間，液漿經(jīng)注漿泵高壓進(jìn)入裂隙中，有效增加了巖體彈性模量和強(qiáng)度）、形成承載結(jié)構(gòu)（黃泥巖體在頂板壓力作用下被壓碎，力學(xué)性能大幅下降，通過注漿加固后能有效改變巖體裂隙弱面的力學(xué)性能，增加整體穩(wěn)定性；還能使被壓裂的巖體再次膠結(jié)在一起，大幅提升承載性能，從而使巖體被壓縮量減小，為支架分擔(dān)更大的壓力）及改善賦存環(huán)境（對(duì)黃泥巖體注漿改性后，被壓裂巖體的承載及整體性能得到很大提升，使工作面在遇到斷層構(gòu)造時(shí)保證圍巖穩(wěn)定，減少片幫冒頂事故的發(fā)生）等作用。

3.2 頂板注漿加固方案

3.2.1 注漿材料選擇

基于15110工作面黃泥巖頂板賦存特性，為使得工作面能夠安全且高效的開采，降低其頂板懸空可能，考慮注漿具有改性巖體內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)骨架、充壓密實(shí)裂隙等加固改性機(jī)理，對(duì)工作面黃泥巖頂板實(shí)施注漿充填加固試驗(yàn)，以確保工作面安全正常回采。根據(jù)黃泥巖侵入K2灰?guī)r頂板特性及工作面回采要求，考慮使用滲透性好、粘結(jié)力高且?guī)r層親和力強(qiáng)的石炭紀(jì)加固Ⅰ號(hào)注漿材料。該材料是一種快凝、早強(qiáng)、高滲透性的新型雙液無機(jī)注漿材料，主要成份是無機(jī)礦粉，還具有較好的可注性、結(jié)石率高且凝結(jié)時(shí)間和膠結(jié)強(qiáng)度可調(diào)，適宜于破碎巷道、采掘工作面等條件下的注漿加固。

3.2.2 注漿參數(shù)確定

1）注漿時(shí)間。注漿時(shí)間是漿液通過注漿孔進(jìn)入圍巖裂隙中到注漿完成后所需的時(shí)間，注漿時(shí)間的長(zhǎng)短主要受漿液的黏度、注漿泵的能力影響；注漿泵能力愈強(qiáng)，注漿時(shí)間愈短；漿液黏度愈大，注漿時(shí)間也就愈長(zhǎng)。要使?jié){液在圍巖破裂區(qū)或貫通的裂隙面內(nèi)擴(kuò)散范圍大，以至于出現(xiàn)漏漿，需要合理把握注漿壓力、注漿時(shí)間來確保注漿效果；漿液在微小裂隙位置流動(dòng)速度較慢且流量較少，需把注漿時(shí)間延遲，保證能夠達(dá)到預(yù)期效果。

2）因注漿參數(shù)難以較為準(zhǔn)確，致使注漿壓力難以理論計(jì)算得到，可據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)獲取。注漿的目的是使巷道不會(huì)發(fā)生破壞或工作面安全回采，實(shí)質(zhì)是增加煤巖體的圍巖強(qiáng)度，但不能使完整結(jié)構(gòu)再次破壞。若注漿壓力達(dá)到一定值時(shí)，很有可能會(huì)有漿液滲出的現(xiàn)象，按以往注漿經(jīng)驗(yàn)，一定得控制好注漿壓力大小，注漿壓力不宜過大，否則會(huì)影響注漿效果。通常注漿壓力1～3 MPa，劈裂注漿壓力3～5 MPa，在壓力為3 MPa時(shí)圍巖出現(xiàn)劈裂，導(dǎo)致漿液的損失，且還會(huì)使得頂板更為破碎。因本次注漿是對(duì)15110工作面富含黃泥巖的頂板進(jìn)行注漿，因此確定工作面注漿壓力5 MPa。

3）注漿擴(kuò)散半徑。注漿實(shí)踐時(shí)注漿孔間排距是否合理直接影響注漿效果，而注漿擴(kuò)散半徑則決定注漿孔間排距，因此需要獲得注漿擴(kuò)散半徑。根據(jù)多孔介質(zhì)理論，注漿擴(kuò)散半徑表達(dá)式為：

式中；r為漿液擴(kuò)散半徑，cm；k為地層滲透系數(shù)，取1.5×10-2cm/s；t為注漿時(shí)間，取7 200 s；h為以厘米水柱表示的注漿壓力，cm；r0為注漿管半徑，3 cm；β為漿液的相對(duì)黏度，取2.7；n為地層孔隙率，取3%。

當(dāng)注漿壓力為5 MPa時(shí)，h=50 000 cm；將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算得r=10.16 m。因工作面所處的地質(zhì)條件不一樣，漿液擴(kuò)散范圍也不一樣，因此在選擇注漿擴(kuò)散范圍時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)而定，考慮所選取的注漿材料自身特性及其現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果，注漿擴(kuò)散半徑按照10 m設(shè)計(jì)。

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施范圍確定

15110工作面自切眼巷道到兩順槽160 m范圍內(nèi)，煤層頂板具有黃泥覆蓋，此范圍為工作面頂板注漿重點(diǎn)區(qū)域。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過在15110工作面切眼巷道和兩順槽向工作面頂板（黃泥入侵的K2石灰?guī)r為注漿層位）進(jìn)行注漿。

根據(jù)注漿范圍、注漿量及擴(kuò)散半徑等因素，結(jié)合15110工作面鉆探分析結(jié)果，切眼巷道、回風(fēng)順槽、運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)鉆場(chǎng)數(shù)量分別為2個(gè)、6個(gè)和4個(gè)，每個(gè)鉆場(chǎng)2～3個(gè)深度為51 m鉆孔，鉆場(chǎng)布置示意見圖3所示，1、2號(hào)鉆場(chǎng)在切眼巷道內(nèi)，位置分別在距運(yùn)輸順槽32、82 m處；3～8號(hào)鉆場(chǎng)在回風(fēng)順槽內(nèi)，位置分別在距切巷80、130、180、310、360、410 m；9～12號(hào)鉆孔在運(yùn)輸順槽內(nèi)，位置分別在距切眼巷道88、138、196、247 m。鉆場(chǎng)內(nèi)注漿鉆孔間距為0.5 m，距巷頂1.5 m，鉆孔按一定角度垂直機(jī)巷、風(fēng)巷，終孔間距不大于10 m。注：施工深孔時(shí)由于鉆機(jī)問題會(huì)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，所以現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加一定鉆孔角度及鉆孔深度，鉆孔施工參數(shù)見表1。

圖3 工作面注漿孔布置示意圖

表1 注漿鉆孔施工參數(shù)

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果分析

為驗(yàn)證頂板注漿效果，采用礦用鉆孔窺視儀對(duì)15110工作面頂板情況進(jìn)行窺視。注漿鉆孔B施工完成后，對(duì)頂板情況進(jìn)行了窺視，孔內(nèi)灰?guī)r頂板存在縱橫交錯(cuò)的裂隙發(fā)育明顯且有破碎的結(jié)構(gòu)，灰?guī)r整體性較差。待該孔注漿結(jié)束后，施工注漿鉆孔C，在鉆孔施工過程中，所取碎屑中可以看見明顯的注漿體與巖石膠結(jié)在一起的碎塊，并通過窺視發(fā)現(xiàn)，孔內(nèi)破碎結(jié)構(gòu)不多，灰?guī)r內(nèi)裂隙得以充填和固結(jié)，孔壁可看清漿體充填痕跡，孔內(nèi)漿液固結(jié)體呈薄厚不一的片狀或條狀，裂隙得以填實(shí)，灰?guī)r完整率提高。注漿范圍孔內(nèi)能看清漿體充填痕跡，可認(rèn)為漿液在巖體裂隙內(nèi)充填區(qū)域較大，達(dá)到了注漿預(yù)期效果。

回采期間并對(duì)其黃泥巖頂板壓力作了觀測(cè)，工作面支架工作阻力多數(shù)超過30 MPa，說明該工作面在回采時(shí)其壓力整體正常，能保障工作面按正常速度回采。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)黃泥巖頂板4種形式存在描述，黃泥巖頂板主要是由于煤系地層發(fā)育的灰黃色泥巖遭受地下水長(zhǎng)期浸潤(rùn)發(fā)生泥化作用形成的，在灰?guī)r厚度較大、溶蝕作用較弱的區(qū)域黃泥巖的發(fā)育程度較低，而在灰?guī)r溶蝕作用強(qiáng)烈、泥巖發(fā)育的區(qū)域黃泥巖的發(fā)育程度增大。

2）南河煤業(yè)工作面黃泥巖頂板灰?guī)r裂隙發(fā)育明顯，并且分析了灰?guī)r裂隙發(fā)育、冒落特征以及對(duì)礦井安全高效開采的影響。提出采用石炭紀(jì)加固Ⅰ號(hào)雙液無機(jī)注漿材料對(duì)黃泥巖頂板進(jìn)行注漿加固，并確定注漿孔布置方式、注漿壓力及注漿時(shí)間等參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)注漿后，注漿范圍孔內(nèi)漿體充填痕跡明顯，破碎結(jié)構(gòu)大幅降低，灰?guī)r內(nèi)部裂隙得以填實(shí)膠結(jié)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果良好。