大采高工作面過斷層段煤壁片幫防治技術(shù)研究

田曉福

（山西潞安化工集團李村煤礦，山西 長治 046600）

0 引言

大采高采煤工藝是我國厚煤層高效開采的的主要方式之一，具有回采率高、功效高、利于集中生產(chǎn)等許多優(yōu)勢。工作面煤壁片幫一直是大采高綜采所要解決的一個突出問題，也是限制大采高采煤工藝發(fā)揮自己優(yōu)勢的主要原因[1-2]。煤礦地質(zhì)條件多樣，在開采過程中斷層、陷落柱等復雜地質(zhì)層出不窮，一旦處理不好，就容易出現(xiàn)煤壁片幫、煤礦運輸通風難等一系列問題，減少礦井服務年限，降低采掘效率，造成很大損失[2-6]。為解決這些難題，學者展開研究并取得了許多進展[7-13]。注漿具有提高巖體強度、提高巖體抗變形能力、防止煤壁片幫等作用[14-15]。針對李村煤礦2303 工作面存在多個異常區(qū)、坡度較大、地質(zhì)異常等多重方面的問題，計劃對2303 工作面在兩順槽超前進行深孔注漿加固措施，保證工作面正?；夭?。

1 概況

2303 工作面切眼位于2302 工作面回風巷末端，開口里程為2302 工作面回風巷1 270 m 處。西鄰2302 工作面回風巷，東鄰2303 工作面回風巷。工作面進風巷450～680 m 巷道坡度變大，為9°～15°仰采，且此位置工作面內(nèi)部為D4 號異常區(qū)。開采3 號煤層，煤層平均厚度4.4 m，傾角0～10°。煤層直接頂和基本頂都由粉砂巖組成，厚度分別為7.15 m、2.15 m；偽頂由泥巖組成，厚度為1.7 m；直接底由炭質(zhì)泥巖組成，厚度為1.4～1.9 m；基本底由砂質(zhì)泥巖組成，厚度為0.8 m。2303 工作面平面如圖1所示。

圖1 2303 工作面平面剖面示意Fig.1 Plane and section drawings of No.2303 Face

2 深孔注漿方案

2.1 注漿范圍

對工作面D1 號異常區(qū)（工作面停采線位置）及D4 號異常區(qū)（進風巷大坡段） 影響范圍進行順槽深孔注漿超前加固措施。

（1） D1 號異常區(qū)注漿加固。對工作面停采線前20 m 及停采后15 m 范圍進行兩巷深孔注漿加固。加固范圍沿回采方向35 m。

（2） D4 號異常區(qū)注漿加固。對D4 號異常區(qū)及前后30 m 范圍進行兩巷深孔注漿加固，加固范圍沿回采方向340 m。

結(jié)合工作面地質(zhì)構(gòu)造特點，選用無機單液注漿材料威固Ⅰ號對工作面破碎煤體及巖層進行超前預注漿加固?？紤]工作面注漿加固范圍較大，兼顧工作面巷道深孔探測地質(zhì)構(gòu)造施工，決定采用在工作面回風巷和運輸巷分別施工60 m 深孔+120 m 深孔交替注漿的加固技術(shù)方案。

2.2 鉆孔布置

D4 號異常區(qū)影響范圍分別向外延伸30 m 左右，總注漿范圍約為340 m；D1 號異常區(qū)影響范圍往切眼方向30 m，停采線往外15 m，總注漿范圍約為49.2 m；進、回風巷均施工單排鉆孔，鉆孔開孔高度2 m。鉆孔分為2 種，頂板孔120 m 和60 m，孔間距6m 終孔位置為煤層頂板往上3 m；煤層孔120 m，孔間距6 m，終孔位置為煤巖交接面與煤層間隔布置。需施工60 m 頂孔120 個，施工120 m 頂孔122 個，施工120 m 煤巖交界面孔122個，施工120 m 煤孔122 個。工作面注漿孔俯視圖如圖2所示。

圖2 2303 工作面注漿孔俯視圖Fig.2 Grouting hole vertical viewof No.2303 Face

2.3 注漿管與封孔

（1） 注漿管。為了防止巷旁破碎區(qū)漏漿，孔口部分采用6 分無縫鋼管作為封孔管，封孔長度為8m，由4 節(jié)鋼管連接而成；同時，為了防止孔內(nèi)塌孔堵塞注漿通道，注漿鉆孔內(nèi)剩余部分需插入直徑為32 mm 的篩管，篩管直下至孔末端。

（2） 封孔工藝。鉆孔施工后為了防止塌孔，需要立即對鉆孔插入注漿管并進行封孔，封孔的目的是為了防止在注漿時孔口漏漿，導致注漿效果降低，封孔效果直接影響注漿加固效果，因此，本次注漿采用兩堵一注封孔器進行封孔。若注漿過程中出現(xiàn)孔口漏漿情況時使用威固二號進行堵漏，確保注漿效果。

2.4 加固材料性能參數(shù)

威固I 號加固材料性能主要表現(xiàn)為高滲透性、高強度特性，凝結(jié)時間和膠結(jié)強度可調(diào)。膠凝時間為45 min≤t≤240 min；材料顆粒平均粒徑3～5 μm，可注性較好；8 h 后強度快速增長，24 h 強度可達25 MPa 以上，3 d 強度可達35 MPa 以上，最終強度可達50 MPa 以上。

威固II 號注漿材料性能主要表現(xiàn)為快凝、早強、高滲透性、結(jié)石率高等特性，凝結(jié)時間和膠結(jié)強度可調(diào)。綜合考慮，選擇最優(yōu)水灰比0.6∶1，24 h 的抗壓強度能達到22.3 MPa。

3 工業(yè)性試驗

在工作面煤壁還未注漿加固時，根據(jù)對工作面煤壁片幫的觀測，可以得到煤壁片幫的3 種形式，分別為底部片幫，腰部片幫以及頂部片幫，其中腰部、頂部片幫發(fā)生率占比較高。煤壁片幫深度從0.5～1.5 m 不等，使工作面支架和刮板輸送機推進存在不穩(wěn)定性。為了解2303 工作面煤壁注漿過后的片幫控制效果，在工作面3 個周期來壓期間，工作面大約推進30 m 范圍內(nèi)進行礦壓觀測，主要對煤壁片幫的深度、形式、區(qū)域進行記錄，觀測頻率為每天1 次，通過觀測結(jié)果分析，得到本次注漿加固效果，如圖3所示。

圖3 注漿加固后工作面煤壁片幫深度及位置統(tǒng)計結(jié)果Fig.3 Statistical results of depth and position of coal wall spalling in working face after grouting reinforcement

由圖3可得，在3 次周期來壓期間，工作面煤壁片幫得到了有效控制，煤壁最大片幫深度為32 cm 左右，在工作面10～50 m 發(fā)生工作面煤壁片幫次數(shù)較多，大多為頂部片幫；煤壁工作面其他區(qū)域很少出現(xiàn)煤壁片幫情況，最大片幫深度也控制在30 cm 以內(nèi)。證明使用威亞Ⅰ號材料注漿加固后產(chǎn)生了良好效果。煤體和注漿液共同形成結(jié)石體，提高了煤體的粘聚力，自身強度和完整性，彌補煤體自身強度的不足，達到了較好地防片幫效果。

4 結(jié)論

（1） 本文針對2303 工作面地質(zhì)情況，計劃了超前深孔注漿加固方案，優(yōu)化選擇了注漿時機、注漿孔位置，起到了很好的效果，提高了工作面回采效率，保證快速安全生產(chǎn)，提高了經(jīng)濟效益。

（2） 由工業(yè)性實驗可以得到，實施了超前深孔注漿加固方案后，彌補了煤體自身強度的不足，解決了2303 工作面煤壁片幫嚴重的問題，為2303工作面回采期間煤壁的穩(wěn)定性提供了保障。

（3） 實施的大采高工作面過斷層超前深孔注漿加固措施，解決了李村礦大采高工作面煤壁片幫嚴重這一難題，工作面片幫和冒頂?shù)玫搅擞行Э刂?，實現(xiàn)了工作面正?；夭桑瑸榻鉀Q大采高工作面過斷層煤壁片幫問題提供了參考。