注浆加固技术在煤矿破碎顶板条件下的应用

刘耀月 王含梅

（枣庄矿业集团柴里煤矿，山东 枣庄 277519）

煤矿破碎顶板支护问题一直是制约煤矿安全生产的主要难题之一，破碎顶板条件下，回采巷道围岩的整体性差，围岩强度和承载能力降低，回采巷道开掘和维护困难，有时会发生严重的冒顶及片帮事故，严重制约着煤矿的安全生产，威胁着生产员工的生命安全[1-2]。

1 工程地质概况

柴里煤矿23下618综放工作面位于236采区东部，工作面标高-611.3～ -627m，工作面沿倾斜方向布置，沿走向方向回采，工作面走向长度540m，倾斜长度135m，工作面主采3下煤厚3.20～6.20m，平均4.76m，倾角8°左右。23下618综放工作面直接顶为泥岩，不坚固，基本顶为中砂岩；底板为泥岩、中砂岩，工作面顶底板情况如表1所示。23下618工作面双巷在掘进过程中遇到三条断层，对巷道施工及顶板管理影响很大，由于断层的切割工作面直接顶板破碎，支护难度大。

表1 工作面顶底板情况表

2 工作面顶板破碎的原因分析

23下618综放工作面顶板破碎，支护困难，回采巷道在开掘期间存在严重的安全威胁，通过对23下618综放工作面地质情况及生产情况进行分析，23下618综放工作面支护困难的主要原因有以下几个方面：

（1）近距离煤层群开采影响

3上煤层和3下煤层之间的间距仅为0～16.50m，平均4.97m，由于3上煤层开采对于煤层底板的破坏，当两煤层间距小于3上煤层开采对底板的最大破坏深度时，3下煤层顶板就会完全破碎，支护困难。根据滑移线场理论，煤层开采时对底板的最大破坏深度可由式（1）确定：

式中：

M-开采煤层厚度，m；

φ-内摩擦角，°；

ζ-三轴应力系数；

f-摩擦系数；

K-应力集中系数；

γ-上覆岩层的平均密度，kg/m3；

H-煤层埋深，m；

C-内聚力，MPa；

px-支架阻力，MPa。

通过计算3上煤层开采时对底板破坏的最大深度为6.9m，因此，两煤层间距小于6.9m时，3下煤层顶板完全破坏。

（2）地层性质

23下618综放工作面顶底板均为泥岩，工作面开采的3下煤层是典型的“三软”条件，受采动的影响，且由于上部采空区水的侵蚀，煤层顶底板及岩层的强度降低，煤层片帮和冒顶严重。

（3）工作面地质构造

工作面回采巷道掘进过程中，共揭露小断层3条。在断层附近，煤层的厚度和倾角等都会发生变化，断层处矿山压力显现明显，工作面围岩在断层作用下，进一步破碎，增加了围岩的支护难度。

（4）支护措施不合理

由于煤层顶板破碎，锚杆无法锚固到顶板稳定的岩层上，锚杆的支护作用被削弱，无法通过增加围岩强度来提高围岩的承载能力，支护性能不可靠，顶板往往发生冒顶事故。

3 锚杆注浆技术的应用

注浆工艺是通过化学浆液将破碎的围岩体重新充填，胶结起来，从而使得破碎围岩形成一个稳定的整体，提高了巷道围岩的整体稳定性，巷道围岩的力学性能得到改善，固结后的围岩形成支护的骨架结构，巷道围岩的承载能力上升，支护的可靠性得到增强，工作面冒顶及片帮严重的现象可以得到有效的治理[3-5]。

23下618综放工作面的注浆工艺步骤为：

（1）工作面打眼布置注浆管道

为了确保注浆工作的质量，在工作面注浆过程中应该先打短孔，待短孔注完浆液后再打长孔注浆，避免塌孔现象的发生。钻孔时，先用直径75mm的钻头钻至设计位置，提出钻杆时用直径60mm的套管套在钻杆上，后改用直径65mm的钻头将注浆孔钻至终孔位置。当钻进过程中遇到塌孔或钻杆无法钻进时，可采用跟管钻进的方法敷设PVC套管至设计位置。

（2）测试注浆泵

在布置注浆钻孔的同时，需要用清水清洗注浆泵，并试运行，确保注浆泵的性能可靠，注浆压力满足顶板注浆支护的要求，并检查注浆管路的完整情况及各个接口连接的可靠性，以保证注浆效果。

（3）制备注浆浆液

选取的注浆材料为水泥--水玻璃混合浆液，该混合材料的胶凝时间可控，可注性好，且胶结时间快，能够满足煤矿井下生产的需要。根据以往注浆材料参数的经验，水泥的体积∶水玻璃的体积为2∶1；水泥水玻璃注浆材料与水的比例为1∶1时的注浆效果最好。制备浆液是按照水→水泥→水玻璃的顺序，依次按照比例上料，并在浆液池中混合均匀。

（4）封闭注浆孔

在注浆钻孔端头布置止浆塞，止浆塞的安设要牢固，止浆塞安设好以后，用纱布蘸取现场制备好的水泥浆液后，放入钻孔中，并压实封孔，待水泥浆液稳固后才能进行下一步骤。

（5）注浆

在封孔措施完成30min后，开始向钻孔内灌注浆液，注浆压力保持在3MPa以内，注浆过程中要确保连续不间断地灌注浆液，避免停机操作，以防注浆管路堵塞。当注浆过程中，浆液渗出较多时，可暂停几分钟，然后再继续注浆。当注浆完毕后，应以清水冲洗管路5min，确保注浆管道的畅通。

煤层破碎顶板注浆支护设备示意图如图1所示。

图1 注浆设备示意图

4 注浆效果的监测

23下618综放工作面使用注浆技术后，破碎顶板巷道的支护效果显著，注浆前后23下618综放工作面顶板下沉量对比结果如图2所示。注浆段的顶板下沉量比未注浆段有明显的下降，注浆段的最大顶板下沉量比未注浆段下降52.2%。注浆前后工作面超前支撑压力对比结果如图3所示，注浆段的超前支撑压力峰值比未注浆段下降19%。

通过注浆技术，23下618综放工作面的巷道大变形情况得到抑制，防止了巷道的进一步破坏，维护了巷道围岩的整体性，有利于巷道支护的稳定。

图2 注浆前后工作面顶板下沉量对比

图3 注浆前后工作面超前支撑压力对比

5 结语

23下618综放工作面应用注浆工艺治理巷道破碎顶板取得了很好的技术经验及经济效益。23下618综放工作面实施该技术以来，工作面生产期间无冒顶和片帮事故的发生，工作面锚杆支护的稳定性得到明显的提高，工作面巷道变形量在煤矿安全生产规程允许范围内，巷道无需再次返修，减少了维修费用及人工费用，对相似条件下的工作面顶板支护起到很好的借鉴作用。