新三矿162601工作面超前注浆加固技术研究与应用

丛龙峰

（冀中能源峰峰集团有限公司新三矿，河北邯郸056200）

1 引言

新三矿162601工作面为综采工作面，工作面煤层为单斜煤层，煤层走向 NW55°，倾向 NE，倾角 7～15°，平均为 11°，煤层厚度2.8～4.5m，平均4.2m。工作面采煤方法为倾斜长壁轻型综采放顶煤后退式方法。工作面地质构造较为复杂，掘进时揭露8条断层。目前揭露两条正交断层，受断层影响，工作面第34台～43台支架煤壁及顶板较破碎，出现片帮，尤其在35～38台支架处由于空顶时间较长而发生冒顶，冒高约4～5m，致使综采工作面推进较为缓慢，严重影响到综采工作面回采生产与安全。为加快推进，早日推过该构造带，需另采取有效的措施来防止煤层片帮空顶，使工作面安全顺利推过该构造带。

2 概述

根据现场观察及以往其他矿的实际经验，宜采用化学注浆加固的方式，对工作面断层带附近煤壁及破碎顶板进行超前注浆加固，使其凝结成为一个整体，提高煤壁及顶板的黏结强度，减少煤壁片帮范围及深度，控制顶板垮落，确保工作面安全生产。在2601工作面推采过程中除实施以上技术措施外，重点对煤层注浆进行了实验研究。合理的煤层注浆可增加煤体颗粒之间的黏聚力，降低煤的脆性，增加煤壁及顶板的整体性延缓煤壁的片帮漏顶，给工作面一定的拉架时间，有效的控制煤壁及梁端顶板的片帮冒落，形成不易脱落的再生顶板。

2.1 方案设计

针对本次工作面的特殊情况，设计在工作面构造变化处从煤壁面布置注浆孔，对工作面受构造破坏的煤壁及伪顶顶板进行注浆加固。注浆时以割煤循环为单位，根据工作面推进速度确定注浆段长度适当进行注浆，保证工作面正常推进。

2.2 注浆材料选择及性能指标

注浆加固从注浆材料来看分为无机和有机（即化学）两种。无机材料以水泥或水泥-水玻璃双液为主，该类浆液为颗粒型，而且凝固时间不宜调节，跑漏严重，浆液在凝固过程中离析析水，凝固体强度上升慢且脆性大，主要用于裂隙较大，无动压影响且变形量较小，自身强度较高的围岩注浆，对于冒顶处理无能为力。而化学浆液为溶液型，可以渗透到细小的裂隙和孔隙内，浆液反应速度快而且反应时间可调，凝固体有较高的弹性，强度上升快，在几分钟内可达到最终强度的90%以上。

根据回采工作面冒顶治理的使用特性，煤岩体极为松软破碎，且稳定性差，煤壁及顶板承受动压影响等因素要求注浆材料应具有凝固速度快、固结体强度上升快、材料应有较好的韧性等特性。因此选用波雷因注浆材料。

波雷因注浆材料由A、B两种组分组成。当A、B两种组分以相同的体积充分混合后，能形成较高强度并具有较好韧性的固结体。该浆液具有较高的粘合力和较好的机械性能，与煤、岩层有较好的亲和力，固结体的柔韧性能承受一定的地层变形。材料注入破碎煤体、岩石后，低黏度混合物保持几秒钟，迅速进行一系列的复杂化学反应，与煤岩体形成具有一定强度的固结体，从而起到加固煤壁及顶板的作用。其性能指标如下：

波雷因性能指标：

基本组分 A料 B料密度（25°C）/g/cm3黏度（25°C）/mpa.s包装（塑料桶）/kg 1.23 220 27 1.05 200 23混合比保存期（25°C）开始反应时间（s）膨胀倍数抗压强度（MPa）黏结强度（MPa）1∶1 6个月35～60 2～3 58 5.5

波雷因浆液A、B两种料以1∶1的比例注入煤岩体裂隙中，以孔口管为中心，向四周渗透和扩散，充填破碎、松散的煤岩体裂隙，并且在材料自身二次发泡、膨胀的推动下，渗透到围岩的深部微细裂隙内，浆材胶凝后将松散、破碎的煤岩体胶结在一起，起到挤压充填、粘接补强且具有一定塑性变形能力的作用。

2.3 注浆钻孔布置

注浆孔开孔位于顶板以下2.0m，孔间距2.5m，孔深6m。钻孔垂直工作面方向上仰20～23°，以终孔进入顶板1m为准，每一循环钻孔布置要与前一循环成交叉五花布置。

2.4 注浆参数

①注浆终压

根据围岩条件与类似工程经验，确定6m注浆孔注浆终压为：3～5MPa。

②注浆扩散半径 R=（γgha/2s+a）β

式中：γ为水的容重，g为重力加速度，s为浆液剪切强度，

h为注浆压力，a为岩层的间隙等值半径，β为时间系数

实际施工时通过调整浆液的胶凝速度、渗透性和注浆终压，保证实际有效扩散半径不小于1.5m。

③单孔吃浆量Q=AπR2 L n B

式中：A为损耗系数，R为有效扩散半径，L为注浆段长，

n为开口孔隙率，B为浆液充填系数

预定每孔注浆量为300～350kg。如果单孔注浆量达到了设计数量而未达到设计终压时，停止注浆，以设计量为准。

2.5 打眼和注浆设备

注浆泵和浅眼帮锚杆机采用压风作动力，用φ25mm高压胶管将压风接至注浆或打眼地点，前端加装φ25mm高压球阀。

打眼设备：工作面煤壁及顶板采用风动锚杆机钻眼，配φ28mm和φ32mm相应规格的钻头。

注浆设备：采用ZBQ-5/12型风动双液注浆泵，技术参数如下。

型号 压力比 最大排量(L/min)供气压力(MPa)(m3/min)质量(kg)外形尺寸(mm)耗气量ZBQ-5/12 65:1 20 0.2～0.6 1.5 60 900×400×730

2.6 注浆施工工艺

标孔→钻孔→检查钻孔质量→安装注浆管及封孔部件→封孔→准备浆液→开泵注浆→凝固→检查注浆质量→验收。

注浆量：工作面注浆量按循环计算。每循环预计需打孔5个（按注浆范围为12.5m），用量为1.75吨。预计走完构造段（约75m）需25个循环，预计总注浆用量43.75吨。

3 效果分析

通过使用局部短壁注浆的方法，且注浆孔1.5m范围内能形成较硬的黏结层，煤机割煤后煤壁基本不片帮漏顶，压缩了维护顶板的时间，减少了人员维护顶板的材料费用支出，采煤机开机率由原来的18%提高到52%，经济效益和安全效益显著。

4 结论

工作面注浆技术具有成本低、操作简单节省材料，工人劳动强度低，黏结效果良好等特点。该技术的应用，使工作面局部顶板破碎地点顶板得到了有效控制，保证了安全生产，该工艺可使煤体有效凝结，防止煤壁片帮漏顶，大幅度提高工作面推进速度,大大降低被顶材料损耗，改善工人工作量，在三软煤层、破碎顶板采煤工作面有很好的推广应用价值。