注浆充填加固技术在煤矿采场围岩控制中的应用

2019-11-25杨茂霖

中国煤炭 2019年10期

彭博孙超杨茂霖郭煜陈梁

(1. 四川省煤炭产业集团有限公司技术中心，四川省成都市，610091；2.重庆大学资源与安全学院，重庆市沙坪坝区，400044；3.四川广旺能源发展(集团)有限责任公司，四川省广元市，628017；4.四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司，四川省广安市，638020)

目前，就西南地区煤层井工开采条件来看，工作面顶板冒落、工作面顶板破碎、工作面底板下滑是制约工作面正常推进的重要因素。处理冒顶、碎顶、滑底的方法主要有注浆法、木垛法、搭棚法、硬过法、锚固法等，其中注浆充填加固方法是处理工作面冒顶、碎顶、滑底效果最有效的方法，而如何进行注浆材料选择、怎样设计注浆工艺参数则是亟需解决的问题。就川煤集团现状而言，注浆加固技术在现场的应用较多，但是没有一套成型的技术规范做引导，也没有成熟的理论做支撑。从注浆材料的发展来看，19世纪后期硅酸盐水泥得到推广应用，20世纪中叶水玻璃、脲醛树脂等化学注浆材料问世，进入21世纪后高分子注浆材料成了主流[1-2]。就川煤集团现场应用情况来看，反应快、强度高、绿色环保、黏结力强、经济适用的高分子注浆材料是马丽散、科力安和波雷音。主要从理论方面分析了注浆充填加固机理，比较不同注浆材料的优缺点及经济性，运用数值模拟软件验证了注浆充填加固的科学性，并分别在冒顶、碎顶、滑底工作面试验了注浆充填加固技术，优选注浆充填加固材料、设计注浆工艺参数、制定注浆方式方法、观测矿压变化，并形成工作面治理冒顶、碎顶、滑底灾害的技术规范，为现场应用提供行动指南，保障工人安全，实现高产高效。

1 注浆充填加固机理

采用注浆等方法进行地质体改造是维护巷道稳定的一种主动方法，由于注浆具有良好封闭性，使其成为控制巷道变形的关键手段。注浆是借助于外力把浆液注入到岩体中，产生充填、挤压、压密、固结、封堵的作用，形成强度高、抗渗性好、稳定性强的密实结构体，从而达到改善岩体物理力学性质的目的。它能够通过改善局部围岩的力学性能，充分调动围岩自身强度进行自组织支护，保持围岩稳定。注浆作为改善岩体性质的重要技术，能对岩体进行加固或改性，使一定范围内的岩体成为工程结构不可分割的一部分，充分挖掘岩体的承载潜力。

从力学原理和岩体破坏机制的角度，可以认为岩体注浆加固与封闭主要有以下作用机理：

(1)浆液在泵压、自身膨胀压力以及微裂隙的吸渗作用下，挤压或渗透到岩体的裂隙中，反应固结，以固体的形式充填在裂隙中，这些充填材料在岩体内形成纵横交错的网络状骨架结构；

(2)通过注浆可以改善弱面的力学性能，提高裂隙的粘聚力和内摩擦角，增大岩体内部块体间相对位移的阻力，从而提高围岩的整体稳定性；

(3)浆液在将一些较大的裂隙充填满的同时将一些充填不到的封闭裂隙和小裂隙挤压，甚至使其闭合，从而对岩体整体起压密作用，提高围岩的弹性模量、强度和密实度；

(4)利用浆液充填围岩裂隙，配合锚喷支护，充分发挥锚杆的作用，大大减少失锚现象，因此能承受更大的荷载，提高支护结构的承载能力，扩大支护结构的有效承载范围，强化支护结构的整体性，改善支护结构的适应性[3-9]。

2 顶底板注浆充填加固技术数值模拟

以川煤集团唐家河煤矿1813工作面为例建模[10]，分别模拟顶板冒落、顶板破碎、滑底现象在注浆充填加固技术前后的应力分布及位移量分布，模型岩石物理力学参数见表1。

表1 模型岩层物理力学参数

2.1 顶板冒落注浆前后数值模拟

根据现场情况，模拟1813工作面顶板冒落5 m及顶板注浆充填加固情况。分析注浆充填前后垂向应力分布及垂向位移分布，结果如图1和表2所示。

由图1和表2可知，顶板注浆对冒落区顶板应力值起到了应力集中作用，但是效果不甚明显。

2.2 破碎顶板注浆前后数值模拟

根据现场情况，模拟工作面破碎顶板及顶板注浆充填加固情况。分析碎顶工作面注浆充填前后垂向应力分布及垂向位移分布，如图2和表3所示。

图1 冒顶工作面注浆前后数值模拟分析

表2 工作面冒顶注浆前后顶底板参数比较

图2 碎顶工作面注浆前后数值模拟分析

表3 破碎顶板注浆前后顶底板参数比较

由图2和表3可知，注浆对破碎顶板的应力控制有明显效果，且能很好地控制顶板下沉量及下沉范围。

2.3 软弱底板注浆前后数值模拟

根据现场情况，模拟软弱底板工作面及底板注浆充填加固情况。分析软底工作面注浆充填前后垂向应力分布及垂向位移分布，如图3和表4所示。

由图3和表4可知，底板注浆能有效抑制软底开采底板底鼓，能大大减小底鼓范围，并且对顶板应力值有一定的影响。

表4 软底开采注浆前后顶底板参数比较

图3 软底工作面注浆前后数值模拟分析

3 注浆充填加固技术在现场的应用

3.1 注浆充填加固技术在冒顶区的应用

3.1.1 现场情况

唐家河1813综采面100-72#支架段因煤壁不同程度的片帮导致了顶板大面积的冒落。从100-80#支架发生顶板冒落，冒落高度达8～10 m，该段片帮宽度为6～8 m；80-72#支架煤壁片帮3.5 m，冒落高度2.0 m。由于采煤机从下至上牵引在采煤机上摇臂在88#支架、下摇臂在77#支架处，采煤机被垮冒的矸石全部掩埋，无法开动，导致工作面停产。

3.1.2 注浆方案设计

根据现场冒落情况，决定采用人造假顶和充填注浆的方法。

人造假顶布置方案设计如图4所示，煤壁注浆孔与水平夹角30°，长度8 m；煤线注浆孔与水平夹角60°，注浆孔长度9.3 m；冒落区用钢梁造假顶，钢梁呈“井”字型排列，间排距为750 mm×1500 mm，钢梁用单体支柱支撑；顶梁上方铺设钢筋网，需覆盖整个假顶；预留注浆管与水平方向夹角60°，长度为9.3 m，间距为4 m[11-12]。

图4 人造假顶布置方案设计

在支架与煤壁之间架设假顶，假顶材料可使用工字钢梁，间距为750 mm，钢梁呈“井”字型排列以保持假顶的整体性，在顶板破碎区域须在假顶上方安放钢筋网，防止碎石滑落伤人。

3.1.3 注浆参数选择

根据围岩条件与类似工程经验，确定注浆终压为4 MPa。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2.5 m。加固注浆孔预定每孔注浆量为300～500 kg。

3.1.4 矿压监测

试验选取处于垮落区中部的85#综采支架进行矿压监测，压力监测分两部分进行，结果如图5所示。

(1)选取从2015年9月8日到2015年9月14日之间的支架压力数据，期间包括工作面正常推进、推进时支架压力发生异常、支架完全压死，涵盖冒顶片帮整个矿压过程。

(2)选取从2015年10月15日到2015年10月21日之间的支架压力数据，期间包括工作面在再造顶板下向前移架以及工作面正常推进过程。

图5 冒顶期间及假顶推进期间矿压监测曲线

3.2 注浆充填加固技术在碎顶区的应用

3.2.1 现场情况

代池坝矿3544工作面位于304采区+320～+458 m区段东5#煤层中，工作面走向长度820 m，倾向长度平均166 m，采区内煤层厚度稳定，结构简单，倾角38°～43°，采面区域为单斜岩层，地质构造较简单。由于受地质构造及相邻采区扰动的影响，工作面(61#～73#架)顶板破碎，给回采工作带来了一定的困难。

3.2.2 注浆方案设计

对工作面顶板进行加固。加固注浆孔分深孔、浅孔两部分组成，深浅孔交替注浆方案设计如图6所示。