超前深孔注漿在復(fù)合頂板工作面頂板管理中應(yīng)用

王路飛

（汾西礦業(yè)集團(tuán)正新煤焦有限責(zé)任公司和善煤礦，山西 沁源 046500）

1 工程概況

山西某礦20203 綜采工作面回采2#煤層，煤厚3.21 m、埋深215 m、傾角2°～10°，煤層中部夾雜1～2 層炭質(zhì)泥巖夾矸，厚度合計(jì)0.15～0.35 m。20203綜采工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度1 680 m，采面斜長(zhǎng)200 m，采面采用U 型通風(fēng)方式，供風(fēng)量為1 580 m3/min，回采巷道均為矩形斷面，凈寬×凈高=4.9 m×2.6 m。

20203 綜采工作面在開切眼前方0～200 m 范圍內(nèi)為復(fù)合頂板，頂板由1～2 m 厚泥巖、0.3 m 厚不穩(wěn)定煤層組成。由于復(fù)合頂板承載能力低、采面在復(fù)合頂板下回采時(shí)，在采動(dòng)影響下容易出現(xiàn)垮落、離層等情況，采面頻繁出現(xiàn)冒頂、片幫等問題。

2 采面頂板冒頂問題

2.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析

在20203 綜采工作面回采期間，對(duì)采面頂板進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)采面煤壁片幫、頂板冒頂有一定順序，采面片幫后煤壁對(duì)頂板支撐效果降低，加之頂板自身強(qiáng)度及承載能力偏低，導(dǎo)致局部冒頂事故發(fā)生；液壓支架移架后，受頂板冒頂影響導(dǎo)致直接頂梁無法接頂，支架支柱阻力無法有效控制頂板變形，進(jìn)一步導(dǎo)致頂板冒落影響擴(kuò)大[1-3]。煤壁片幫是導(dǎo)致頂板冒落的主要誘因之一，復(fù)合頂板承載能力差、軟弱且破碎，一般失去煤壁支撐容易導(dǎo)致冒頂事故。因此，解決冒頂事故、強(qiáng)化頂板時(shí)，需提高煤壁穩(wěn)定性，只有避免煤壁片幫才可給采面頂板足夠的而支撐作用力，確保頂板穩(wěn)定。

2.2 模擬分析

影響復(fù)合頂板穩(wěn)定的因素主要為煤壁片幫、頂板巖體自身穩(wěn)定性，煤壁片幫與采高、煤體強(qiáng)度密切相關(guān)。通過FLAC 軟件分析煤體強(qiáng)度對(duì)煤壁片幫影響，具體構(gòu)建的模擬方案技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。方案1—方案4 條件下煤體強(qiáng)度呈逐漸增加趨勢(shì)，方案5 與方案1 的煤體強(qiáng)度保持一致，但是方案5 的頂板強(qiáng)度較方案1 時(shí)提高50%。在模擬模型上界面施加3.1 MPa豎向應(yīng)力，具體不同模擬方案得到的采面圍巖塑性區(qū)分布情況，如圖1 所示，圍巖破壞深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表2 所示。

表1 模擬參數(shù)及方案

表2 不同模擬方案圍巖破碎深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從圖1 及表2 得知，隨著煤體強(qiáng)度增加，煤體及頂板塑性區(qū)分布范圍呈明顯降低，圍巖穩(wěn)定性改善效果較為顯著；隨著頂板強(qiáng)度增加（對(duì)比方案1 及方案5），煤壁及頂板破壞深度均未呈現(xiàn)明顯變化。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果一致，提高采面頂板穩(wěn)定的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)采面煤壁穩(wěn)定。20203 綜采工作面采高為3.21 m，通過降低采高來提高煤壁、頂板穩(wěn)定性，會(huì)存在煤炭資源浪費(fèi)、采收率低以及經(jīng)濟(jì)成本偏高等問題。為此提出采用注漿技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板區(qū)域內(nèi)超前深孔注漿，提高復(fù)合頂板影響范圍內(nèi)煤體強(qiáng)度，為給20203 綜采工作面回采創(chuàng)造穩(wěn)定環(huán)境。

3 超前深孔注漿方案

3.1 注漿鉆孔布置方案

從上文分析得出，提高煤體強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)頂板高效管理的關(guān)鍵，因此注漿鉆孔應(yīng)盡量布置在煤壁中，提升煤體強(qiáng)度，同時(shí)布置的注漿鉆孔應(yīng)兼顧頂板穩(wěn)定性，通過注漿充填復(fù)合頂板裂隙，提高頂板穩(wěn)定性及整體強(qiáng)度，以便達(dá)到更好的頂板管理效果[4-7]。

20203 綜采工作面回采范圍內(nèi)2# 煤層傾角較小、為近水平煤層，可在采面回采巷道內(nèi)布置鉆場(chǎng)提前對(duì)煤體進(jìn)行加固，采面進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷內(nèi)鉆場(chǎng)布置方式相同，具體布置，如圖2 所示。

圖2 注漿鉆孔布置示意圖

注漿孔開孔均靠近巷道頂板，其中下排鉆孔開孔距巷道底板1.5 m、鉆孔仰角5°，鉆孔孔深100 m、孔間距10 m，鉆孔終孔位于煤層與頂板交界位置，下排鉆孔主要起到提高煤體強(qiáng)度目的；上排鉆孔開孔與巷道底板間距為2.5 m、鉆孔仰角6°，鉆孔孔深100 m、孔間距10 m，鉆孔終孔位于煤層頂板上，上排鉆孔主要起到提高煤層上覆復(fù)合頂板穩(wěn)定性及承載能力目的。超前注漿鉆孔孔徑統(tǒng)一均為88 mm。

3.2 注漿時(shí)機(jī)

通過對(duì)20203 綜采工作面回采期間礦壓監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，回采引起的超前支承壓力影響范圍約為55 m，支承壓力峰值位于采前前方8m 位置，其中采面前方20 m 范圍為劇烈影響區(qū)。依據(jù)采面礦壓顯現(xiàn)情況以及煤體內(nèi)裂隙發(fā)育情況，對(duì)采面煤體可注性進(jìn)行分析，具體結(jié)果，如表3 所示。

表3 煤體可注性分析結(jié)果

綜合表2 結(jié)果以及20203 綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，認(rèn)為將超前深孔注漿鉆孔布置在采面前方20～55 m范圍內(nèi)較為合理。采面前方20～55 m 范圍不會(huì)給采面回采以及超前支護(hù)工作開展帶來影響，時(shí)煤體內(nèi)裂隙發(fā)育，可在一定程度提高注漿效果。

3.3 注漿材料

注漿材料選用超細(xì)水泥類材料，注漿材料水灰比控制在0.5∶1 且充分混合攪拌后，漿液在前1 h 內(nèi)有較好的流動(dòng)性，隨后開始固結(jié)；3 h 后漿液完全失去流動(dòng)性；10 h 后漿液完成固結(jié)，且固結(jié)強(qiáng)度可達(dá)到12 MPa以上。在20203 綜采工作面選用的細(xì)水泥類材料具有流通性好、細(xì)度高（可注性強(qiáng)）以及膠結(jié)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，具體優(yōu)勢(shì)為:

1）注漿材料流動(dòng)性好。注漿材料在注漿孔、裂隙中充分流動(dòng)，膠結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，可滿足深孔長(zhǎng)時(shí)間注漿需要，同時(shí)注漿材料滲透性較好，有效擴(kuò)展范圍可達(dá)到8 m 以上。

2）細(xì)度高（可注性強(qiáng)）。注漿材料顆粒粒徑在5.5 μm，注漿材料細(xì)度高，可在煤體及頂板細(xì)小裂隙中擴(kuò)散，從而可較好的充填煤巖體裂隙。

3）膠結(jié)強(qiáng)度高。注漿材料膠結(jié)8 h、2 d、4 d、7 d 后強(qiáng)度即可達(dá)到12、18、24、34 MPa，注漿材料早期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度快、膠結(jié)強(qiáng)度高，可實(shí)現(xiàn)煤巖體有效加固，顯著復(fù)合頂板范圍內(nèi)煤巖體穩(wěn)定性。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

20203 綜采工作面（未超前注漿）在開切眼前方50 m 范圍內(nèi)回采時(shí)，曾多次出現(xiàn)片幫、漏頂情況，其中片幫最大深度達(dá)到1.8 m、漏頂最大高度為1.3 m，片幫及漏頂嚴(yán)重影響采面生產(chǎn)，雖然采用掛網(wǎng)、打玻璃鋼錨桿等措施治理片幫、強(qiáng)化頂板管理，但是效果不佳，采面推進(jìn)速度僅為2.4 m/d。

在20203 綜采工作面開切眼前方50～200 m 范圍內(nèi)采用注漿對(duì)煤體及頂板進(jìn)行加固，具體超前采面20～55 m 內(nèi)布置超前深孔注漿孔，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板影響范圍內(nèi)煤體以及頂板加固。采面在注漿加固區(qū)內(nèi)回采時(shí)，煤壁及頂板基本保持穩(wěn)定，僅局部位置出現(xiàn)小范圍片幫、漏頂情況，其中片幫最大深度控制在500 mm，期間未有冒頂征兆或者冒頂問題發(fā)生，頂板控制取得較為顯著效果。20203 綜采工作面在復(fù)合頂板區(qū)域內(nèi)回采時(shí)推進(jìn)速度保持4.8 m/d，實(shí)現(xiàn)了安全快速回采。

5 結(jié)語

依據(jù)20203 綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，通過現(xiàn)場(chǎng)分析以及數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致采面頂板冒頂?shù)闹饕T因是煤壁片幫。為此，提出采用深孔注漿方式提高煤體、復(fù)合頂板穩(wěn)定性及強(qiáng)度，布置的超前深孔注漿鉆孔可兼顧煤體、頂板加固，同時(shí)將在超前采面20～55 m 范圍注漿，充分利用超前支承壓力對(duì)煤體及頂板裂隙發(fā)育影響，提高注漿可注性及注漿效果。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，采面在超前深孔注漿加固區(qū)域內(nèi)回采時(shí)，煤壁大范圍片幫問題得以有效解決，基本不出現(xiàn)頂板冒落問題，提高了復(fù)合頂板管理效果為采面安全高效回采創(chuàng)造良好條件。