大采高綜采工作面三角區(qū)注漿加固技術(shù)研究

張 俊

（晉煤集團(tuán)寺河礦，山西 晉城 048000）

大采高綜采工作面具有工作面產(chǎn)量高、瓦斯治理難度小等優(yōu)點(diǎn)，是開采厚煤層的一種重要方式[1-2]。大采高綜采工作面采煤工藝過程與一般綜采基本相同，但是由于垮落帶高度增加，且工作面開采強(qiáng)度大，其礦壓顯現(xiàn)比較強(qiáng)烈[3]。因而，工作面煤壁片幫、冒頂、三角區(qū)破碎等問題成為大采高綜采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[4-6]。三角區(qū)注漿加固是確保大采高綜采工作面安全開采的有效措施，根據(jù)相關(guān)研究提出對(duì)晉煤集團(tuán)寺河礦井W5303 大采高工作面三角區(qū)易片幫區(qū)域進(jìn)行注漿加固處理，保證了工作面安全、快速推進(jìn)。

1 工程概況

W5303 工作面煤厚為5.7 m，煤層平均傾角5°，工作面走向長(zhǎng)625 m。53031 巷由于受到回采工作、巷道布置等時(shí)間和空間上的影響，5302 工作面一次采動(dòng)時(shí)，巷道巷幫煤體裂隙已經(jīng)較為發(fā)育。5303 工作面開采時(shí)，53031 巷高為3.7 m，開采高度為5.3 m，端頭區(qū)域與巷道相鄰部分為階梯狀，構(gòu)成了一個(gè)“三角區(qū)”，使端頭區(qū)域部分易破碎、片幫，給工作面的安全回采和支護(hù)帶來困難。工作面端頭區(qū)示意圖如圖1。

圖1 工作面端頭區(qū)示意圖

2 采動(dòng)影響下工作面三角區(qū)破壞規(guī)律分析

通過對(duì)5302 工作面復(fù)用巷道53031 巷進(jìn)行變形觀測(cè)，可以了解巷道所受動(dòng)壓影響下工作面前方及后方采空區(qū)支承壓力影響范圍以及在動(dòng)壓影響下巷道變形與支承壓力影響范圍的時(shí)空關(guān)系，包括：巷道在不同時(shí)期、不同地點(diǎn)的變形程度、穩(wěn)定時(shí)間及穩(wěn)定時(shí)滯后工作面的距離、巷道最大變形程度，動(dòng)壓影響復(fù)用巷道不同變形程度的范圍等，從而為選擇合理的注漿范圍與注漿時(shí)機(jī)提供理論依據(jù)。

2.1 測(cè)點(diǎn)布置及觀測(cè)方案

主要觀測(cè)方法為“十”字布點(diǎn)法，觀測(cè)53031巷道的頂?shù)装逡平?、兩幫移近量。觀測(cè)儀器為鋼卷尺和帶線掛鉤。在5303 切眼前方10 m 開始布置10 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距10 m，在測(cè)點(diǎn)布置過程中盡量選擇煤壁相對(duì)穩(wěn)定的斷面布置，因此實(shí)際布置過程中斷面位置可能稍有偏移。測(cè)站采用“十”字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)巷道斷面，共A、B、C、D 四個(gè)點(diǎn)，在相應(yīng)巷幫及頂、底板進(jìn)行標(biāo)定，如圖2。

圖2 巷道變形測(cè)站布置剖面圖

2.2 表面位移變形規(guī)律分析

進(jìn)行測(cè)量后，綜合分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以得出5303 工作面采動(dòng)下53031 巷的表面位移變形規(guī)律，歸納見表1。

表1 53031 巷巷道表面位移變形規(guī)律一覽表

通過對(duì)53031 巷測(cè)點(diǎn)表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得出在動(dòng)壓影響下大采高長(zhǎng)工作面回采巷道表面位移的變形規(guī)律，大致可以將53031 巷前方采動(dòng)影響范圍劃分為無采動(dòng)影響區(qū)、初始采動(dòng)影響區(qū)和劇烈采動(dòng)影響區(qū)三個(gè)范圍。無采動(dòng)影響范圍：在5303 工作面前方56 m 之外，巷道圍巖移動(dòng)變形量小，巷道維護(hù)狀況良好；初始采動(dòng)影響范圍：初始采動(dòng)影響范圍在23～56 m 以內(nèi)，該范圍內(nèi)由于巷道受到回采動(dòng)壓作用的影響，巷道變形速度增加；劇烈采動(dòng)影響范圍：劇烈采動(dòng)影響范圍在距離工作面前方23 m 之內(nèi)，伴隨著工作面的推進(jìn)，受到強(qiáng)烈回采動(dòng)壓影響，巷道圍巖變形、頂?shù)装逡平繒?huì)逐步增加。由此為依據(jù)，對(duì)工作面前方初始采動(dòng)影響區(qū)和劇烈采動(dòng)影響區(qū)進(jìn)行注漿加固。

3 注漿加固方案

3.1 注漿鉆孔深度

5303 工作面回采的二次采動(dòng)影響下，端頭區(qū)變化比較明顯，整個(gè)端頭區(qū)都是塑性區(qū)域，煤體破碎嚴(yán)重。同時(shí)，煤柱區(qū)域的應(yīng)力向端頭區(qū)域轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步加劇了端頭區(qū)的破壞。端頭區(qū)的塑性區(qū)范圍為15 m 左右，而注漿加固的范圍主要是受支承壓力影響的破裂煤體范圍，設(shè)計(jì)在煤體中打深孔進(jìn)行注漿加固，深孔設(shè)計(jì)為20 m，能夠較好地提高圍巖的整體穩(wěn)定性，達(dá)到對(duì)大采高工作面三角區(qū)注漿加固的目的。

3.2 注漿鉆孔布置

在53031 巷的注漿區(qū)域布置上下兩排鉆孔，上排和下排鉆孔交錯(cuò)布置，下排鉆孔距離底板的高度1.5 m，上排鉆孔為2.5 m，上下排注漿鉆孔間距3 m；下排鉆孔角度垂直于巷幫，上排鉆孔具有一定角度，鉆孔上仰角度為8°，上下排鉆孔孔深均為20 m。注漿鉆孔布置如圖3。

圖3 53031 巷巷道注漿鉆孔布置示意圖

3.3 注漿材料

聯(lián)邦加固I 號(hào)是以無機(jī)材料為主要組成成分的一種快凝、早強(qiáng)型單液無機(jī)注漿材料，具備較強(qiáng)的可注性。兩種漿液在混合前，6 h 內(nèi)不凝固、不泌水、不沉淀，且材料流動(dòng)性較好，可以滿足深孔長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散的要求，可保證較大的注漿量。不同齡期及水灰比條件下抗壓強(qiáng)度見表2。

表2 聯(lián)邦加固I 號(hào)（單液）注漿材料不同水灰比抗壓強(qiáng)度

4 工程效果

（1）本次三角區(qū)注漿加固范圍為185 m，共計(jì)注漿79 個(gè)孔，注漿量為2634 袋，平均每孔注漿量為33.3 袋，最大單孔注漿量為148 袋?，F(xiàn)場(chǎng)注漿材料所用水灰比為0.8，共注漿液115.53 t。

（2）工作面三角區(qū)注漿后，在工作面回采的過程中對(duì)煤壁片幫情況進(jìn)行觀測(cè)，并統(tǒng)計(jì)匯總，片幫情況見表3。

表3 三角區(qū)注漿后工作面煤壁片幫統(tǒng)計(jì)表

通過對(duì)注漿前后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，可以看出注漿前工作面煤壁片幫現(xiàn)象非常嚴(yán)重，片幫深度比較大；在進(jìn)行注漿加固后，由工作面注漿后煤壁片幫統(tǒng)計(jì)表可以看出，片幫量大大減小，減小范圍平均為0.4 m，有效控制了煤壁片幫現(xiàn)象，基本達(dá)到了防止煤壁片幫的要求，對(duì)工作面的正常回采提供了保障。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)觀測(cè)確定了工作面前方的無采動(dòng)影響區(qū)、初始采動(dòng)影響區(qū)和劇烈采動(dòng)影響區(qū)的范圍，為工作面三角區(qū)注漿加固提供依據(jù)。

（2）根據(jù)三角區(qū)注漿加固需要，注漿材料選用了流動(dòng)性好、擴(kuò)散性好、早期強(qiáng)度高的新型單液無機(jī)注漿材料。

（3）通過向煤體內(nèi)進(jìn)行打孔注漿，對(duì)受超前支承壓力影響范圍內(nèi)的破碎煤體進(jìn)行加固，提高煤體的強(qiáng)度。當(dāng)工作面推進(jìn)到注漿區(qū)域后，由于破碎的煤體在漿液的固結(jié)作用下膠結(jié)形成整體，工作面煤壁不會(huì)輕易出現(xiàn)片幫，且片幫范圍比較小，達(dá)到了比較理想的效果，可以實(shí)現(xiàn)工作面安全、快速推進(jìn)。