综采工作面过风氧化带注浆技术研究与应用

张国英

(霍州煤电集团 吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿，山西 吕梁 033000)



·试验研究·

综采工作面过风氧化带注浆技术研究与应用

张国英

(霍州煤电集团 吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿，山西 吕梁 033000)

山西某煤矿1805综采工作面在通过风氧化带的过程中，造成构造带区域内频繁漏顶，致使运输机过载无法启动，影响工作面正常推进。通过数值模拟的方法，对风氧化带构造应力场的分布规律进行了研究，并对1805工作面进行了注浆加固方案设计，加强了风氧化带充填物的物理力学性质，增强了顶板的稳定性，对相似条件下的浅埋深综采工作面过风氧化带具有一定指导意义。

综采工作面；风氧化带；填充物；注浆

在煤矿的开采过程中，由于地质条件复杂多变，工作面会遇到许多地质构造，例如风氧化带、断层等。这些出现在工作面开采范围内的地质构造由于其内部围岩性质与顶板围岩的性质不同，会破坏顶板的完整性，特别是一些围岩破碎、岩性较差的风氧化带，其内部甚至存在大量黏土等松散物质。这种性质的风氧化带不仅使工作面顶板破碎发生漏顶，还会使大量的黏土漏入刮板输送机内，导致机头附着大量黏土无法正常运转，严重影响了工作面的生产安全及工作效率。因此，对于浅埋深综采工作面过风氧化带的顶板稳定性及其控制方法的研究具有重要的意义。

1 工作面概况

以山西某矿1805工作面为工程背景，该工作面所在煤层为8#煤下分层，地面标高1 000～1 111.2 m，煤层底板标高为956.84～966.37 m，上覆基岩和表土层厚度33.63～154.36 m. 1805工作面净宽为238.8 m，工作面推进长度为638.9 m，煤层厚度为3.3～3.5 m，平均厚度为3.4 m.

1805工作面煤层顶板一般为砂岩，伪顶为炭质砂岩，厚度0～0.15 m，局部发育，黑色炭质砂岩，局部赋存一层约0.05 m白色黏土岩，开采时随煤层一起脱层垮落；直接顶为砂岩，厚度5.6 m，岩性特征：深灰色，泥质胶结，局部夹有黏土岩。在1805工作面辅运顺槽490 m处发现风氧化带。风氧化带范围内顶、底板和煤体松软。1805综采工作面在通过风氧化带的过程中，造成构造带区域内频繁漏顶，漏顶后致使运输机过载无法启动，影响工作面正常推进，同时，对现场作业人员安全也造成一定影响，工作面漏顶情况见图1. 为确保高效安全生产，急需对综采工作面过风氧化带的顶板加固方案进行研究。

图1 1805工作面漏顶图

2 风氧化带构造应力场

本文选用3DEC数值模拟软件对风氧化带构造进行模拟研究，围岩力学数据、构造面数据分别见表1，表2.

对模型的最大、最小主应力进行研究分析，模拟结果见图2，图3.

表1 围岩力学数据表

表2 断裂构造面力学数据表

图2 主应力迹线模拟图

图3 主应力方位模拟图

由图2，3可以发现：风氧化带构造会对主应力的方向产生影响，使风氧化带附近的应力发生偏转。模型一中，风氧化带周围最大主应力偏转0～60°，越接近风氧化带应力偏转角度越大。模型二中，风氧化带周围最大主应力偏转0°～30°，越接近风氧化带应力偏转角度越大。

两个模型的风氧化带周围主应力变化的规律区别较大，模型一、模型二中，主应力分别偏转0～60°、0～30°，模型一偏转较大，并且在两个模型中，风氧化带周围的应力场范围也不同，模型一大于模型二。因此，风氧化带内部填充物的物理力学性质对构造周围的应力场变化有较大的影响。

3 工作面过风氧化带方案设计

通过注浆加固能够有效提高破碎岩体的物理力学性质，增强其稳定性，并且风氧化带和顶板砂岩风化潮解，尤其遇水后极不稳定，对工作面及顺槽的围岩稳定均有影响。因此，为防止工作面局部漏顶保证工作面正常推进，需要对风氧化带进行预注浆加固。

具体方案：在工作面揭露风氧化带位置的煤壁上打孔，预注马丽散对煤壁和顶板进行加固。注浆孔深度为6 m. 注浆后工作面推进4 m，进行第二次注浆，然后工作面再推进4 m，进行第三次注浆。依次循环，直至推过风氧化带为止。工作面加固范围为：工作面至前方60 m范围，总共需要注15个循环。每个循环施工注浆孔数量根据现场揭露范围确定。

3.1 工作面注浆加固方案

回采工作面注浆孔采用“三花孔”布置，孔距为3 m，平孔与顶孔交替布置。注浆孔施工角度根据现场情况确定。马丽散的注浆比例为1∶1. 工作面内注浆布孔方案见图4.

图4 工作面注浆孔布置方案图

3.2 顺槽两帮加固方案

为保证1805顺槽在工作面推进过程中顶板安全，需对巷道两帮及顶板进行加固。此段区域补强维护工作，必须在工作面距风氧化带20 m之前完成，防止超前应力对此区域内的煤、岩造成再次破坏。

1) 在巷道两帮风氧化带揭露区域，提前注马丽散加固。注浆孔布置数据、布置方式与工作面孔布置方式相同。施工位置有两种：沿着风氧化带走向布孔；从巷道煤壁打孔，找到风氧化带位置，进行布孔。如以上任何一种方式效果不佳，可两种方式结合使用。

2) 顺槽与风氧化带交叉点承压三角煤柱加强支护。由于此处煤体与风氧化带夹角较小，受集中应力及采动影响，极易片帮垮落，一旦片帮会导致此处空顶面积增大，因此有必要采取加固措施。除去注浆加固外，考虑在此处施工帮锚杆进行补强，先打锚杆后注浆。顺槽氧化带注浆钻孔布置方案见图5，顺槽与风氧化带交叉点支护示意图见图6.

图5 顺槽氧化带注浆钻孔布置方案图

图6 顺槽与风氧化带交叉点支护示意图

工作面过风氧化带具体操作要求：1) 加强及时支护。坚持使用单架依次顺序移架，这种移架方式卸载截面积小，顶板变形量也较小，采煤机割煤时，支架采用追机移架作业方式，煤机每割完1架，支架必须及时前移，使支架紧跟前滚筒，减少顶板暴露时间，防止破碎顶板变形和离层，可以对破碎顶板进行有效控制。另当工作面空顶面积较大时，必须及时拉出超前架。根据工作面实际情况，过破碎带期间回采时，采高需控制在3.3～3.6 m. 2) 加快工作面推进速度。

合理组织工作面的生产，确保生产班完成正规循环，提高工作面的推进速度，减小单体支柱的支护时间，能够有效减小顶板在超前压力作用下的破坏。过1805工作面漏顶区域时，必须做好随时处理故障的准备，并组织生产。在条件允许的情况下，按照正规循环作业，并根据顶板情况进行调整，合理分配工作人员。

4 结 语

山西某煤矿1805综采工作面在通过风氧化带的过程中，造成构造带区域内频繁漏顶，漏顶致使运输机过载无法启动，影响工作面正常推进，同时，对现场作业人员安全也造成一定影响。本文对风氧化带附近的构造应力场进行了数值模拟研究，认为风氧化带构造内部填充物的物理力学性质对构造周围的应力场变化有着巨大的影响，填充物的物理力学性质越差，主应力偏转角度越大，构造应力越复杂。因此，需要对风氧化带构造内部进行注浆加固，本文对1805综采工作面过风氧化带围岩注浆加固进行了方案设计，加强风氧化带充填物的物理力学性质，从而增强稳定性，保证了工作面的安全高效生产。

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Research and Application of Grouting Technology for Wind Oxidized Zone in Fully Mechanized Coal Mining Face

ZHANG Guoying

In the process of 1805 fully mechanized coal mining face in a coal mine in Shanxi Province, the fall of the roof coal are frequently occurred, made the conveyor belt can not operate normally due to the oxidized coal seam zone, which also affect the normal mining. Based on the numerical simulation method, the distribution laws of tectonic stress field in wind oxidized zone are studied. The design of the grouting reinforcement was carried out on the working face, which strengthened the physical and mechanical properties of the fillings, and enhanced the stability of the roof, and the practice is of some guiding significance for the shallow oxidation and airslake zone under the similar condition.

Fully mechanized coal mining face; Wind oxidized zone; Filler; Grouting

2017-03-05

张国英(1986—)，男，山西临猗人，2011年毕业于太原理工大学，助理工程师，主要从事综采技术管理工作

(E-mail)441967596@qq.com

TD265.4

B

1672-0652(2017)05-0025-03