注浆加固技术在综采面破碎顶板治理中的应用

李国刚

（大同煤矿集团朔州煤电有限公司，山西 怀仁 038300）

1 概况

大同煤矿集团朔州煤电有限公司小峪煤矿8102工作面位于井田一水平东翼，工作面东西走向，北部为8101采空区，东部为井田边界，南部为实煤区，西部为盘区大巷。

8102工作面设计走向长度为1320m，倾向长度为170m，开采煤层为二叠系下统山西组的4号煤层(山4#），煤层平均厚度为3.8m，煤层发育不稳定，含多层夹矸。8102工作面无伪顶，直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为4.5m，岩体稳定性差，受采动影响易破碎，岩石普氏系数f＜3.5；基本顶主要以粉砂岩为主，平均厚度为11.7m。8102工作面采用综合机械化回采工艺，全部垮落法处理采空区。

8102工作面水文地质资料显示，工作面在670～740m段共计揭露8条逆断层，断层平均落差为0.7m，平均倾角为40°。受断层群影响，工作面顶板出现条带式剪切破坏。工作面回采至660m处时顶板出现严重破碎、局部冒顶现象，煤壁剥离破坏严重，端面空顶距加大，工作面回采速度降低至3.5m/d，严重制约着工作面安全高效回采。

2 工作面破碎带初步支护设计及问题分析

2.1 原支护设计

原支护设计中8102工作面断层带破碎顶板采用“JW”型钢带、锚索吊棚进行联合支护。

（1）“JW”型钢带。工作面回采至670m处时采煤机割煤后，及时在工作面端面破碎顶板施工一排“JW”型钢带。钢带长度为4.2m，每根钢带配套5根长度为2.5m左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间距为0.9m，钢带排距为1.0m。

（2）锚索吊棚。锚索吊棚长度为3.5m，主要由一根11#工字钢梁、2根长度为5.0m预应力锚索组成，锚索间距为1.75m。锚索吊棚施工在相邻两排钢带之间，锚索吊棚排距为3.0m。

2.2 问题分析

（1）支护强度大，成本费用高，回采效率低。由于8102工作面破碎带长度达70m，工作面需施工70排钢带、35排锚索吊棚，支护成本费用达92万元，而且支护劳动强度大，支护速度慢，严重影响工作面高效回采，平均回采速度为3.5m/d。

（2）支护钻孔施工扰动破坏严重。由于8102工作面直接顶主要以炭质泥岩为主，岩体稳定性差，裂隙发育，而采用钢带加强支护时钢带排距为1.0m，每根钢带配套5根锚杆，锚杆支护相对密集，在施工支护钻孔时，会对顶板不稳定岩体产生扰动破坏，从而加大了顶板破坏程度，降低了支护效果。

（3）钢梁剪切破坏严重。由于11#工字钢梁柔性低，刚度强，且支护断面小，顶板在受压情况下，锚索吊棚很容易对破碎顶板产生剪切破坏，从而进一步破坏了破碎顶板连续完整性，很容易造成顶板条带式垮落。

3 注浆加固技术应用

为了提高8102工作面破碎顶板承载能力，降低劳动强度及支护成本费用，决定采用水玻璃注浆加固技术进行破碎顶板维护。

3.1 水玻璃注浆加固技术原理

采用一定比例的水玻璃与泥浆进行混合搅拌，以液态形式通过高压作用沿着破碎岩体裂隙渗透扩散。水玻璃混合液硬化后会析出高强度粘附力的硅酸凝胶，并与岩体产生高度粘合形成一体，从而充分堵塞岩体裂隙孔，并在表面形成连续封闭膜，提高了岩体胶结稳定性，强化了围岩松圈，使岩体整体稳定性得到改善。

3.2 注浆设备及浆液配比

（1）注浆设备。采用型号为ZBQS-8.4/12.5气动注浆泵进行注浆施工，注浆压力在3.5～7.0MPa。

（2）浆液配比。注浆水灰质量比为1:1.2，水玻璃与水泥浆体积比为1:2，注浆水玻璃浓度控制在20～25Be范围内。

3.3 注浆钻孔技术参数

8102工作面从680m处对破碎顶板施工一排注浆钻孔，钻孔施工在距工作面顶板1.0m处煤壁上。钻孔深度为8m，间距为4.0m，排距为3.0m，直径为40mm，钻孔以45°仰角布置。钻孔施工完后，确保终孔位置位于基本顶内，如图1所示。

图1 8102工作面顶板破碎带注浆钻孔平、剖面示意图

3.4 注浆工序

（1）预埋注浆管。注浆管采用长度为2.0m、直径为40mm钢管，钻孔内共计埋设3节注浆管，管与管之间采用丝扣连接，最后一节钢管外露钻孔孔口0.5m，并在端头安装控制球阀。

（2）注浆工序。注浆钻孔施工完后，将注浆管埋入钻孔内并进行封孔处理，注浆管端头安装流量控制球阀后与注浆软管连接，并将软管另一端与高压注浆泵出浆口连接。将注浆泵吸浆笼头分别插入水玻璃、水泥浆液桶内，开启注浆泵及流量球阀进行高压注浆。

（3）注浆压力调节。注浆压力主要通过控制注浆泵供风量实现泵量控制，从而得到注浆压力控制的目的。在注浆前期注浆压力升高相对较慢，可采用大泵量注入，注浆后期压力升高相对较快时，可采用小泵量注入。当注浆压力达到设计值时，维持小泵量注入5min后可停止注浆。

4 效果

大同煤矿集团朔州煤电有限公司通过技术研究，对小峪煤矿8102工作面过断层群破碎带区域原支护设计主要存在的技术难题进行合理分析，提出了水玻璃加固技术，通过实际应用取得了显著成效。

（1）降低了支护成本费用。8102工作面采用注浆加固技术共需注浆成本及劳动费用为31万元，节约支护成本费用达60余万元。

（2）降低了支护劳动强度。8102工作面注浆施工仅需3人即可完成，每排钻孔注浆时间仅需5d，与传统支护相比，缩短了支护时间，提高了工作面回采效率，在后期工作面平均回采量达8.7m/d。

（3）提高支护效果。8102工作面顶板破碎岩体采用注浆加固后，岩体单轴抗压强度由原来的29MPa提高至74MPa，加强了支架支护效果。工作面在后期回采阶段未发生顶板大面积破碎、冒顶以及煤壁片帮现象，保证了工作面安全高效回采。