陷落柱影响区综放工作面煤壁及顶板超前注浆加固技术

田 杰

（山西晋煤集团赵庄二号井，山西 长治 047100）

综采放顶煤是我国厚煤层的主要开采方法之一[1-3]。由于其一次开采厚度大，矿压显现强烈，特别是在工作面过构造期间，由于围岩破碎，承载能力低，煤壁片帮增大，工作面出现漏顶现象，极易引发大面积冒顶事故[4-6]。因此，保证煤岩体稳定，防止片帮冒顶，是实现安全高产所必须解决的问题。

1 工程概况

赵庄二号井2309 工作面位于矿井西翼盘区，所处水平为+471m 水平，开采煤层为3#煤层。工作面煤层底板最高标高+486m，工作面走向长1465.6m，倾斜长度155.7m，煤层平均厚度4.6m，煤层倾角平均2°，采用综采放顶煤后退式采煤法。3 号煤层顶板岩层结构复杂，顶板主要由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及砂岩组成。泥岩节理裂隙发育，砂质泥岩层理较发育，岩石强度中等，粉砂岩、砂岩层结构相对完整，致密坚硬。根据2309 工作面槽波探测成果，结合钻探结果，可以看出，对工作面回采影响较大的地质构造包括：JDF70 正断层、JDX16 陷落柱和X40、X41、X42 三个陷落柱。根据各个异常区对工作面影响程度，决定对工作面回采影响最大的JDX16 陷落柱进行加固研究分析，如图1 所示。

图1 工作面布置及构造分布

2 注浆加固方案

JDX16 陷落柱钻探结果显示陷落柱内无水。4#异常区影响范围较大，此处煤层在走向、倾向上近水平，23091 巷一侧略高，计划在23091 巷、23092巷两顺槽开孔注浆加固。为保证陷落柱注浆加固效果，采用全覆盖、深浅孔相结合的方式，浅孔进行浅部裂隙封堵，深孔进行陷落柱加固。

结合工作面实际情况，深孔加固范围为机采高度中上部和机采高度上方2m 顶板，设计两种钻孔。下排钻孔加固机采高度中上部，防止片帮，终孔位置在机采范围顶部下方0.8m；上排钻孔加固机采高度上方2m 顶板，防止冒顶，终孔位置在机采范围顶部上方1m。23091 巷钻孔设计深度80m，23092巷钻孔深度设计85m。如图2 所示

图2 深孔布置剖面示意图

2.1 钻孔布置

根据陷落柱在工作面推进方向的影响范围，需对陷落两侧各15m 范围均进行注浆加固，注浆加固钻孔布置范围在陷落柱两侧各10m。

（1）浅孔布置

浅孔加固范围为每巷80m。钻孔上下两排，矩形布置，上排孔开孔高度距离底板2m，钻孔间距2m，垂直于煤帮；下排孔开孔高度距离底板1m（可以根据皮带高度适当调整），钻孔间距2m，垂直于煤帮。钻孔孔深8m，孔径均42mm。钻孔布置平面图如图3 所示。

图3 浅孔布置平面示意图

（2）深孔布置

23091 巷考虑皮带、搭架对开孔高度影响，布置单排钻孔，开孔高度距离底板1.5m，钻孔间距5m，孔径Ф75mm，钻孔仰角为0°。23092 巷深孔分上下两排，上排孔开孔高度距离底板2m，钻孔间距10m，孔径Ф75mm；下排孔开孔高度距离底板1m，钻孔间距10m，孔径Ф75mm，钻孔仰角为2°。如图4 所示。

2.2 注浆管路及封孔

浅孔采用6 分无缝钢管进行注浆及封孔，每个钻孔放3 根，每根2m，封孔长度为2m，两头缠棉纱，中间采用水灰比0.6:1～0.8:1 的双液注浆材料封堵。深孔注浆管路采用“6 分无缝钢管+PVC 管”组合方式，钢管和PVC 管均加工成2m/根，插管长度尽可能长。封孔长度10m，封孔方式与浅孔一致。

图4 深孔布置平面示意图

2.3 注浆压力及水灰比

注浆压力对注浆效果影响较大，合理的注浆压力是保证注浆加固效果重要的因素。结合赵庄二号井陷落柱影响区煤岩体节理裂隙发育情况，以及煤岩体物理力学性质，确定浅孔注浆压力4～8MPa，深孔注浆最大注浆压力控制在12～20MPa。单液正常注浆水灰比0.6:1，双液正常水灰比为0.8:1。

3 效果分析

3.1 片帮、冒顶统计分析

对工作面过陷落柱期间煤壁片帮、冒顶情况进行统计分析，可知：正常区域工作面顺利回采，没有片帮冒顶现象；在异常未加固区域，出现较严重的片帮冒顶现象，工作面甚至3～4d 不能推进；通过异常注浆加固区边缘时，工作面没有片帮，顶板大部分良好，仅有个别架出现漏矸掉渣现象。说明注浆加固后工作面通过时，与正常区域区别很小，顶板良好，而通过未经注浆加固的异常区时，顶板破碎冒落严重。

3.2 支架工作阻力

工作面通过正常区域时，支架阻力一般在2300～2580kN 之间。工作面通过注浆加固过的异常区域时，支架阻力一般在2400～2800kN 之间，比正常区域略有增大，原因是工作面部分区域有少量的顶板破碎、轻微压架现象。工作面通过未进行注浆加固的异常区时，支架阻力一般在2700～3500kN 之间，较正常区域明显增大，原因是发生较严重的片帮、冒顶，大量破碎矸石冒落压架，工作面甚至数天不能推进，支架阻力明显增大。从侧面说明，经过注浆加固的异常区，顶板良好程度与正常区域基本相当，可以顺利回采，而未经注浆加固的异常区，极容易发生冒顶压架。如图5 所示。

3.3 工作面推进速度

正常区域工作面推进速度约3.01～3.08m/d。由于4#异常区陷落柱提前揭露，该区域10m 范围未注浆，工作面片帮、冒顶较为严重，工作面推进速度降低为1.47m/d，约为正常区域的一半。工作面经过4#异常区陷落柱内部时，为注浆区域，中部存在大量坚硬矸核，需要爆破处理，十分费时，但煤壁顶板均良好，未出现片帮冒顶情况。工作面出4#异常区陷落柱边缘的10m 范围时，为注浆区域，不存在坚硬矸核，回采速度明显加快，平均速度2.5m/d。工作面通过4#异常区20m 后，揭露另一异常区，未注浆加固，回采速度降至0.97m/d。由表1 可以看出，经过注浆加固后的异常区，工作面煤壁顶板得到强化，片帮、冒顶问题大幅减少，推进速度较快，为正常条件下的83%，比未注浆区域提高70%以上，显著优于未注浆加固的异常区。

图5 工作面支架压力曲线图

表1 不同区域工作面推进速度表

4 结语

采用深浅孔相结合的注浆加固技术改造陷落柱影响区，可以有效控制深孔注浆过程中漏浆的问题，且浅孔注浆可对深孔封孔段进行加固，保证了注浆加固效果。通过工作面回采过程中的效果考察可知，对陷落柱影响区进行注浆加固后，可以有效控制工作面煤壁片帮及顶板冒顶，工作面过陷落柱期间的推进速度达到正常区域推进速度的80%以上，比未注浆加固区提高70%，保证了工作面安全高效开采。