綜采工作面復(fù)合頂板深孔注漿控制技術(shù)研究

王亞楠

（山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048019）

0 引言

大采高綜采工作面具備機(jī)械化程度高、推進(jìn)速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)隨著采面高強(qiáng)度開采的不斷推進(jìn)，采面回采期間礦壓顯現(xiàn)顯著，容易出現(xiàn)煤壁片幫或者冒頂?shù)仁鹿?，制約采面生產(chǎn)[1-3]。同時(shí)在采面回采區(qū)域內(nèi)發(fā)育有陷落柱、斷層、破碎頂板或者復(fù)合頂板時(shí)，采面頂板管理難度會顯著增加[4-5]?，F(xiàn)階段針對頂板問題，普遍在采面內(nèi)布置注漿鉆孔并注入化學(xué)漿液，但是現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)存在注漿成本高、化學(xué)漿液消耗量大以及采面注漿影響生產(chǎn)等問題，同時(shí)化學(xué)漿液存在有一定的腐蝕性、毒性等問題[6-8]。山西某礦3305 綜采工作面在開采范圍內(nèi)部分區(qū)域?yàn)閺?fù)合頂板，采面在復(fù)合頂板區(qū)域內(nèi)回采時(shí)面臨頂板控制難度高、冒頂以及片幫等問題，為此依據(jù)采面現(xiàn)場情況提出在回采巷道內(nèi)進(jìn)行深度注漿提高復(fù)合頂板及煤體強(qiáng)度及承載能力，減少采面內(nèi)化學(xué)漿液注入量，以便為采面安全高效回采創(chuàng)造良好條件。

1 工程概況

3305 綜采工作面回采的3#煤層厚度均值4.75 m，埋深360 m，傾角2°～6°，采面采用大采高開采工藝。3305 綜采工作面設(shè)計(jì)走向長度1 350 m、斜長294 m，采用U 型通風(fēng)方式，其中33051 巷為進(jìn)風(fēng)巷、33052 巷為回風(fēng)巷，采面回采巷道均為矩形巷道，凈寬5.0 m、凈高4.5 m。根據(jù)鄰近采面（3305 綜采工作面）開采以及本采面回采巷道掘進(jìn)揭露顯示，在3305綜采工作面切眼前方120～320 m 范圍內(nèi)受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，3#煤層頂板為復(fù)合頂板，具體采面布置及復(fù)合頂板位置如圖1 所示。

圖1 采面布置及復(fù)合頂板位置示意圖

3305 綜采工作面切眼前方120～320 m 范圍內(nèi)3#煤層頂板上有厚度0.5～3 m、呈薄層狀泥巖，泥巖上部為厚度0.2～0.4 m 的薄層狀煤線。該區(qū)域復(fù)合頂板遇水容易膨脹，在采面回采巷道掘進(jìn)期間不穩(wěn)定，表現(xiàn)為頂板離層、掘進(jìn)迎頭頂板冒落等問題。同時(shí)鄰近的3303 綜采工作面在過復(fù)合頂板區(qū)域內(nèi)時(shí)冒頂、煤壁片幫等問題表現(xiàn)突出，雖在采面內(nèi)注入大量化學(xué)漿液提高了頂板強(qiáng)度及穩(wěn)定性，但是采面回采也受注漿影響較為顯著，同時(shí)化學(xué)注漿漿液成本較高。為此，文中提出在3305 綜采工作面復(fù)合頂板區(qū)域，在回采巷道內(nèi)向頂板及煤壁施工深部注漿鉆孔，并注入超細(xì)水泥基注漿材料，以便實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板超前治理，降低采面回采期間煤壁片幫、漏頂影響并減少采面內(nèi)化學(xué)漿液注入量。

2 深孔注漿技術(shù)方案

2.1 注漿鉆孔布置參數(shù)

采面煤壁對頂板起到支撐作用，若僅加固頂板而忽略煤壁加固，當(dāng)煤壁片幫后懸空頂板在上覆壓力作用下仍容易出現(xiàn)冒落問題。3305 綜采工作面回采的3#煤層整體強(qiáng)度偏低、煤體松軟破碎，因此深孔注漿需同時(shí)對頂板及煤壁進(jìn)行加固。依據(jù)3305 綜采工作面現(xiàn)場情況，提出在回采巷道內(nèi)布置兩排注漿鉆孔，上排注漿鉆孔用以復(fù)合頂板加固、下排鉆孔加固煤體中上部。

3305 綜采工作面走向及傾向均為近水平布置，在33051 巷及33052 巷內(nèi)布置的注漿鉆孔參數(shù)一致，上下兩排注漿鉆孔均為“三花眼”形式，上排、下排鉆孔開孔距巷道底板分別為3、2 m，仰角分別為6°、5°，孔深均為100 m，鉆孔孔徑均為94 mm，間距為10 m，具體鉆孔布置情況如圖2 所示。

注漿孔內(nèi)采用Φ150 mm 鋼管+Φ45 mmPVC 管組合方式，在孔口注漿管為長度16 m、Φ150 mm 鋼管，內(nèi)部為長度84 m、Φ45 mm 的PVC 管，PVC 管靠近孔底的20 m 范圍內(nèi)花管，便于注漿漿液擴(kuò)散。注漿鉆孔采用兩堵一注封孔方式，封孔長度為16 m，具體鉆孔封孔結(jié)構(gòu)如圖3 所示。在封孔段兩端用寬度1 m棉紗封堵，中間通過鋁塑管注入水泥漿。

圖3 鉆孔封孔結(jié)構(gòu)

2.2 注漿材料及封孔方式

注漿材料選用超細(xì)水泥基注漿材料，材料細(xì)度超過1 500 目，注漿漿液水灰質(zhì)量比控制在0.6∶1，并在漿液中加入一定量添加劑，使得初凝時(shí)間控制在40 min 左右，滿足漿液攪拌、長距離泵送、緩慢擴(kuò)散等需要。采用的超細(xì)水泥基注漿材料由于具備粒徑小、超細(xì)等特點(diǎn)，漿液在注漿壓力作用下可在較小的裂隙中長距離擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)高效注漿。同時(shí)漿液膠結(jié)24 h 后抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到24 MPa 以上。

注漿時(shí)選用ZBYSB220/28-55 注漿泵，注漿流量為0～220 L/min，注漿壓力在0～28 MPa 范圍內(nèi)可調(diào)整，配套采用QB300 型氣動攪拌桶。深孔注漿鉆孔注漿壓力設(shè)計(jì)為15～20 MPa。

為減少鉆孔漿液外溢量，在注漿加固段巷道表面噴射厚度超過100 mm、強(qiáng)度C25 混凝土。在注漿期間若出現(xiàn)漏漿時(shí)，可先暫停注入，采用棉紗封堵注漿裂隙。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

在33051 巷及3305 巷均布置41 個(gè)注漿鉆孔，注漿量分別為300、344 t，單孔注漿量平均為7.3、8.4 t。3305 綜采工作面推進(jìn)至超前注漿加固區(qū)后，絕大部分區(qū)域煤壁平直、頂板結(jié)構(gòu)完整，采面回采期間片幫共計(jì)發(fā)生25 次、未有冒頂出現(xiàn)，其中片幫最大深度、寬度分別為0.75、1.3 m，片幫基本不會給3305 綜采工作面正?；夭蓭碇萍s。3305 綜采工作面僅局部頂板不穩(wěn)定性區(qū)域布置化學(xué)注漿鉆孔，共計(jì)消耗化學(xué)漿液680 桶，采面耗時(shí)42 d 通過復(fù)合頂板區(qū)域，推進(jìn)速度保持4.8 m/d。

與工程條件相似的3303 綜采工作面在復(fù)合頂板區(qū)域內(nèi)回采時(shí)，采面片幫、冒頂次數(shù)超過100 次，采面內(nèi)需頻繁布置注漿鉆孔對頂板進(jìn)行加固，制約煤炭回采；在過復(fù)合頂板區(qū)域內(nèi)時(shí)采面共計(jì)注入3 200 桶化學(xué)漿液，耗時(shí)65 d 通過，推進(jìn)速度平均為3.1 m/d。

3305 綜采工作面通過在回采巷道內(nèi)布置注漿孔進(jìn)行深孔注漿，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合頂板及松軟煤體超前加固，有效減少了采面內(nèi)化學(xué)漿液注入量，并為采面安全高效回采創(chuàng)造良好條件。通過超前深孔注漿后，3305 綜采工作面在復(fù)合頂板區(qū)域內(nèi)回采時(shí)冒頂問題得以較好解決，雖然有局部片幫，但是片幫規(guī)模較小，不會制約采面正?；夭?。

4 結(jié)論

1）3305 綜采工作面采用大采高開采工藝，一次開采高度大，回采期間采動壓力明顯，附近煤巖體采動影響大，采面回采期間容易出現(xiàn)片幫及冒頂問題，特別是在切眼前方120～320 m 范圍內(nèi)回采時(shí)，由于煤層頂板為復(fù)合頂板，導(dǎo)致片幫及冒頂問題更為突出，制約采面回采。鄰近的綜采工作面在過復(fù)合頂板區(qū)域時(shí)在采面內(nèi)通過注入化學(xué)漿液方式加固復(fù)合頂板，存在注漿工程量大、成本高以及制約生產(chǎn)等問題。為此提出在3305 綜采工作面回采巷道內(nèi)布置深孔注漿鉆孔對復(fù)合頂板及煤壁進(jìn)行超前加固，降低注漿加固對采面生產(chǎn)影響。

2）在回采巷道內(nèi)布置上、下兩排注漿鉆孔，實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板及3#煤層中上部煤壁加固，注漿漿液選用價(jià)格較低、安全以及可注性好的超細(xì)水泥基注漿材料，并對注漿工藝進(jìn)行詳細(xì)探討?，F(xiàn)場應(yīng)用后，3305綜采工作面在回采過復(fù)合頂板區(qū)域時(shí)頂板基本保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)有冒頂情況，同時(shí)煤壁片幫范圍及影響較小，不會給采面回采帶來影響。