注浆加固技术在综采工作面片帮治理中的应用

裴锦龙

(大同市煤矿安全监管大队，山西 大同 037000)

随着煤矿开采设备的不断发展，矿井规模的不断扩大，在各大矿区涌现处理一批大采高工作面，而且采高不断增大，在神东矿区补连塔煤矿已经建立了8 m大采高工作面[1-2]. 然而在实际开采过程中，工作面片帮严重，严重威胁着矿井的安全生产。本文以三道沟煤矿85201大采高工作面为背景，对工作面煤壁片帮机理及预注浆加固煤壁技术进行了研究。

1 工程概况

三道沟煤矿位于陕西省府谷县境内，年产量1 000万t，矿井主采煤层为5-2#煤层，煤层厚度5.48～5.95 m，平均5.5 m，埋深99～175 m,平均埋深为137 m. 85201工作面为5-2#一盘区首采工作面，采高5.5 m，倾角1°～3°. 工作面长度295 m，推进长度为3 160 m，工作面选用ZY15000/5/65的液压支架。煤层直接顶为粉砂质泥岩，平均厚度为3.5 m，基本顶为砂岩，平均厚度为21.5 m，直接底为砂岩，平均厚度8.0 m. 通过实验室测定，煤层抗拉强度为2.62 MPa，抗压强度为19.55 MPa，普氏系数为1.96，泊松比为0.24.在实际回采过程中，煤壁严重片帮，由于煤壁片帮导致工作面梁端距增大，极易造成工作面冒顶事故。

2 煤壁片帮机理

随着工作面的不断开采，工作面顶板的悬顶长度增大，工作面前方煤体内的应力平衡被打破，在煤体内部产生了较大的集中应力，当集中应力大于煤体抗压强度时，就会发生片帮[3-5].

对于坚硬煤体的工作面，由于煤体本身坚硬，塑性变形能力有限，在顶板压力及煤体自重的作用力P下在水平方向产生了一定的拉应力，而煤体自身变形有限，难以抵消拉应力的释放。当横向拉应力大于煤体抗拉强度时，煤壁发生拉裂破坏，造成煤壁失稳，见图1a). 此时满足式 (1)：

R≥Rt

(1)

式中：

R—横向拉应力，MPa；

Rt—抗拉强度，MPa.

另外，当煤壁横向拉应力大于煤体抗拉强度时，煤壁会发生鼓出式破坏,见图1b).

图1 煤壁破坏示意图

对于松软煤体来讲，煤体在顶板及自重作用力P下在水平方向产生横向拉应力，由于煤体软弱，能够承受一定的变形，导致横向拉应力能够通过煤体变形得到一定程度释放，最终由于煤体内剪应力大于抗剪强度而发生剪切破坏，见图1c). 由摩尔强度理论可知，煤壁高应力作用下，首先发生剪切破坏，此时满足式(2)：

τmax-τ≤0

(2)

式中：

τ—剪切应力，MPa；

τmax—最大剪切应力，MPa.

根据85201工作面现场观测及煤体自身力学参数测定，该工作面煤体属于松软煤体，因此可以推断该工作面煤体破坏主要为剪切破坏，煤壁上部为易片帮区域。理论分析与现场观测吻合。

3 注浆加固方案

通过对85201工作面煤岩体进行物理力学测定得，该煤体普斯系数为0.8～1.2，顶板属于松软破碎顶板。根据工作面采场力学可知，工作面应力平衡由支架、煤壁、顶板共同组成，当顶板或煤壁发生破坏整个工作面应力平衡打破，煤壁稳定性变差极易发生滑落。传统的锚杆加固煤壁措施抗剪能力差，成本高，为有效控制工作面煤壁片帮，决定采用煤壁预注浆加固的方法来控制煤壁稳定。

3.1 注浆技术方案

为了保证煤壁的稳定性，根据煤壁片帮原理将注浆方案分为破碎顶板区域和煤壁靠上(距离顶板2 m)区域来进行不同程度的注浆。破碎顶板区域主要采用单排挑顶的注浆方式保证工作面顶板的稳定性；煤壁靠上区域(距离顶板2 m)主要采用均压注浆方式保证破碎煤体间的黏结性。具体布孔方式见图2.

破碎顶板区域由煤壁向顶部打孔，倾角10°，孔间距3 m，孔深4 m. 煤壁靠上区域垂直于煤壁打孔，孔距顶板1.5 m，孔间距3 m，根据工作面日推进度6 m，并结合注浆凝固时间综合考虑，决定孔深为6 m.

图2 注浆孔的布置图

3.2 注浆材料选择

注浆主要材料选用P.O42.5硅酸盐水泥，水灰比(0.8～0.9)∶1，初次凝结时间控制在15 min以内，采用该材料的主要原因为成本低，环保，凝固时间长，可以有效对破碎煤体起到凝结作用。

3.3 注浆压力

注浆压力为煤体注浆过程中重要的技术参数，注浆压力过大，会导致本已破损的煤体破坏更加严重，注浆压力过小又会出现浆液扩散范围减小，凝结效果差起不到加固煤壁的作用。

因此，煤壁注浆压力可通过式(3)计算:

Ph=P0+(3～5)×0.1

(3)

式中：

Ph—煤体注浆压力，MPa；

P0—煤体内注浆点的静水压力，MPa，取2.5.

根据公式工作面注浆压力选取2.8～3 MPa.

4 现场应用效果分析

根据工作面现场观测，对治理煤壁片帮前后，片帮频次和深度进行了对比，见图3和图4.

图3 片帮频次统计图

由图3可以看出，通过60天的观测可知，治理后工作面煤壁片帮频次明显降低，治理前工作面片帮频次最高为30次，平均每5天发生26次，治理后片帮频次最高20次，平均每5天发生17次。由图4可以看出，治理后工作面煤壁日片帮深度明显改善，治理前最大日片帮深度1 302 mm，治理后降低为700 mm. 由此可以看出，经过治理，工作面煤壁片帮得到了明显改善，为安全生产提供了保障。

5 结 论

1) 通过对煤壁片帮机理进行分析可知，对于坚硬及松软煤体片帮破坏发生的形式不同，片帮发生的位置靠工作面中上部。

2) 根据煤壁片帮机理，针对工作面煤壁破碎顶板区域和煤壁靠上区域两部分预注浆对煤壁进行加固。

图4 片帮深度统计图

3) 根据现场观测可知，注浆后工作面片帮频次和日片帮深度均值较注浆前大幅降低，大采高工作面采用预注浆技术可以有效防治工作面片帮。