大采高工作面三角區(qū)注漿加固技術(shù)的應(yīng)用

張 俊

（山西晉煤集團(tuán)寺河煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

注漿加固使?jié){液和破碎煤體重新膠結(jié)成新的整體，對保持圍巖力學(xué)性質(zhì)長期穩(wěn)定意義重大[1-2]。

寺河礦大采高工作面開采強(qiáng)度較大，工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，造成工作面煤壁片幫、冒頂、三角區(qū)破碎等現(xiàn)象[3-5]，巷道二次利用變形嚴(yán)重等問題成為制約大采高工作面安全高效開采、綜采設(shè)備效能發(fā)揮的重要制約因素。采用注漿加固技術(shù)以提高端頭區(qū)域煤體的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性，保持該區(qū)域煤體的完整性，有利于大采高工作面安全高效開采。

1 工程概況

寺河煤礦13081 巷道為上一工作面留巷，受1307 工作面采動(dòng)側(cè)向壓力影響，煤柱破碎，煤體穩(wěn)定性降低。1308 工作面為一次采全高，煤層開采高度為6.2 m，而13081 巷高為3.8 m，工作面端頭與巷道相鄰區(qū)域形成斜面，使工作面端頭區(qū)域煤體穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。在端頭區(qū)內(nèi)，斜面為弱面，在巷道端頭頂板與上覆集中應(yīng)力作用下，導(dǎo)致煤體破碎片幫，給工作面端頭三角區(qū)控制帶來困難。1308 大采高工作面端頭剖面示意圖如圖1。

圖1 1308 大采高工作面端頭剖面示意圖

2 大采高工作面三角區(qū)破壞規(guī)律

大采高工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，端頭三角區(qū)跨度大，應(yīng)力集中，且一側(cè)巷道為上一采煤面留巷，受上個(gè)工作面采動(dòng)影響，煤幫更為破碎，容易發(fā)生頂板事故。受到回采工作面超前支承壓力的影響，煤壁極易發(fā)生片幫，尤其是煤壁兩端頭出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生大面積的片幫冒頂，導(dǎo)致破壞現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

13081巷道變形破壞規(guī)律主要受兩次采動(dòng)影響，煤體破碎，工作面端頭受集中作用力影響下發(fā)生片幫、冒頂。一次采動(dòng)影響受1307 工作面?zhèn)认蛑С袎毫ψ饔盟拢鶕?jù)巷道變形程度將工作面后方依次劃分為初始變形區(qū)（小于50 m）、劇烈變形區(qū)（50～240 m）、趨于穩(wěn)定區(qū)（大于240 m）三個(gè)分區(qū)；二次采動(dòng)影響受1308 工作面采動(dòng)影響所致，大致可以將13081 巷前方采動(dòng)影響范圍劃分為無采動(dòng)影響區(qū)（大于70 m）、初始采動(dòng)影響區(qū)（30～70 m）和劇烈采動(dòng)影響區(qū)（0～30 m）三個(gè)區(qū)。同時(shí)，煤柱側(cè)向應(yīng)力向端頭三角區(qū)域轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步加劇了端頭區(qū)的破壞。

3 注漿加固工作面端頭片幫技術(shù)

3.1 注漿加固方案設(shè)計(jì)

采用深淺孔交替注漿加固的注漿方式，淺孔注漿加固巷道，深孔注漿加固大采高工作面三角區(qū)域。淺孔注漿主要對淺部較為破碎的煤體進(jìn)行注漿加固，可以實(shí)現(xiàn)注漿過程中快速堵漏；同時(shí)，漿液作用于低圍壓下的松動(dòng)破裂煤體，使弱面的力學(xué)性能重新分布，提高間隙之間內(nèi)摩擦力和粘聚力，從而改善煤體承載強(qiáng)度。深孔注漿主要是對深部煤體進(jìn)行加固，提高破碎煤體的承載性能，使淺部和深部加固的煤體貫穿膠結(jié)，從而提高煤體的整體強(qiáng)度。深淺孔交替注漿技術(shù)，可大大提高破碎煤體的整體膠結(jié)性，對破碎煤體的殘余強(qiáng)度恢復(fù)提高具有重要的作用。

3.2 注漿加固鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

在13081 巷進(jìn)行深、淺孔注漿試驗(yàn)，即超前工作面距離約8 m 向工作面煤壁施工深、淺交替鉆孔進(jìn)行注漿加固。在注漿過程中為防止?jié){液通過相鄰鉆孔滲出，在前一鉆孔注漿結(jié)束再施工相鄰的下一個(gè)鉆孔。

淺孔位置距離巷道底板2.5 m，深孔位置距離巷道底板1.5 m，相鄰兩個(gè)鉆孔（深、淺孔）的孔口位置水平方向間隔距離為3 m，相鄰兩個(gè)淺孔（或深孔）孔口位置水平方向間隔距離為6 m，如圖2。淺孔注漿鉆孔直徑為42 mm，仰角為40°，深度為6 m，如圖3。深孔注漿鉆孔直徑為42 mm，仰角為30°，深度為12 m，如圖4。

圖2 巷幫鉆孔布置平面圖

圖3 淺孔注漿鉆孔布置剖面圖

圖4 深孔注漿鉆孔布置剖面圖

注漿管主要分為兩部分：孔口管和注漿管。其中孔口管長度為2 m，用于連接送漿混合管和注漿管。為利于孔口封孔，在管壁纏繞鐵絲并進(jìn)行點(diǎn)焊，用棉紗進(jìn)行纏繞封堵。注漿管材質(zhì)采用鋁塑管，根據(jù)深、淺孔不同，鋁塑管長度L 分別為4 m、10 m。同時(shí)在注漿管出漿端孔壁打直徑為5 mm 的鉆孔，相鄰鉆孔間距（孔中心到孔中心）為10 cm，鉆孔段長度為2 m，以便于漿液擴(kuò)散，增大注漿范圍。

3.3 注漿材料及設(shè)備介紹

3.3.1 注漿加固材料

注漿材料采用無機(jī)雙液注漿材料，是一種速凝、早強(qiáng)的泵注性注漿材料。雙液材料分為A 料、B 料，A 料主要成分為熟石灰，B 料主要成分為石灰和石膏，輔助以添加劑制備而成，材料與煤體的膠結(jié)性較普通水泥大大提高。A、B料單液存放6 h內(nèi)不泌水、不凝固、不沉淀，雙液混合后8～15 min 硬化，適用于巷道加固、破碎煤壁注漿等對凝固時(shí)間有要求地點(diǎn)。該材料不同齡期抗壓強(qiáng)度見表1。

表1 注漿材料抗壓強(qiáng)度對比（MPa）

3.3.2 注漿加固設(shè)備

注漿加固采用2ZBQ 型系列氣動(dòng)注漿泵，以空氣驅(qū)動(dòng)做功，供氣壓力0.4～0.6 MPa，可在煤礦安全使用，且長時(shí)間工作而無發(fā)熱問題。工作介質(zhì)（漿液，壓縮空氣）傳遞壓力信號，組成閉環(huán)自動(dòng)調(diào)控性能；可以無級調(diào)節(jié)排漿量，注漿壓力0～16 MPa，最大流量30 L/min；泵隨注漿壓力變化調(diào)節(jié)排漿量時(shí)，可保持兩種漿液的出漿量配比。

攪拌桶采用QB150 型礦用氣動(dòng)式攪拌桶2 臺。該攪拌機(jī)以壓縮空氣作動(dòng)力，可調(diào)節(jié)攪拌速率，使粉料攪拌充分。

3.4 注漿加固施工工藝

根據(jù)工作面現(xiàn)場施工條件及注漿材料性能設(shè)計(jì)采用中深淺孔布置，淺孔注漿水灰比采用0.8:1，深孔注漿水灰比采用1.5:1，注漿過程中出現(xiàn)漏漿嚴(yán)重時(shí)可適當(dāng)減少注漿壓力及降低水灰比。

注漿施工過程中注漿壓力為檢驗(yàn)注漿效果的主要參數(shù)，同時(shí)注意每孔注漿量，若注漿時(shí)間過長，應(yīng)檢查是否存在漏漿通道。注漿量單孔最大不超過0.6 t。

4 效果考察

為考察注漿加固效果，采用鉆孔窺視的方法對注漿和未注漿區(qū)域分別進(jìn)行鉆孔窺視，觀察鉆孔圍巖體中裂隙發(fā)育情況及漿液充填效果，分析現(xiàn)場注漿加固效果。鉆孔窺視儀選用KDVJ-400 礦用鉆孔電子窺視儀，窺視結(jié)果如圖5。

通過對比可知，注漿后的圍巖體較為完整，沒有發(fā)現(xiàn)破碎煤體、裂隙和斷裂面出現(xiàn)，并且注漿材料能夠很好地和破碎煤體粘結(jié)，使破碎煤體重新生成了一個(gè)新的整體，增強(qiáng)煤體的抗變形能力。

圖5 注漿前后鉆孔窺視結(jié)果對照圖

統(tǒng)計(jì)工作面注漿加固后煤壁片幫情況，明顯發(fā)現(xiàn)煤壁片幫量明顯減少，平均片幫深度0.55 m，最大0.8 m，片幫率降低了82%以上，能夠有效地控制煤壁，不影響生產(chǎn)，達(dá)到防治煤壁片幫的要求。

5 結(jié)論

（1）大采高工作面端頭破壞主要是因?yàn)楣ぷ髅娌蓜?dòng)強(qiáng)度大，巷道受兩次采動(dòng)影響，導(dǎo)致工作面端頭三角區(qū)煤體破碎、片幫嚴(yán)重，煤體穩(wěn)定性低，制約了大采高工作面安全高效開采。

（2）采用深淺孔交替注漿加固技術(shù)，淺孔加固巷道，深孔加固三角區(qū)域。無機(jī)雙液注漿料，單液6 h 內(nèi)不凝固、不泌水、不沉淀，混合后凝結(jié)時(shí)間為5～12 min，10 h 強(qiáng)度能8～14 MPa，最終強(qiáng)度20 MPa。

（3）根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果可知，注漿后的圍巖體較為完整，并且注漿材料能夠很好地和破碎煤體膠結(jié)，使破碎煤體重新生成了一個(gè)新的整體，增強(qiáng)煤體的抗壓能力。煤壁片幫率降低了82%以上，有效控制工作面端頭片幫，保證了工作面安全高效開采。