下分层综采工作面注浆加固顶板技术研究与应用

庞柳阳 郭铁成 程相克

（中国平煤神马能源化工集团平煤股份十矿，河南 平顶山 467000）

1 概况

平顶山天安煤业股份有限公司十矿己16-24060工作面位于-320 m 水平己四采区西翼第二区段，南为已回采结束的己15-24020 采空区、己16-24020 采空区，北为已回采结束的己15-24080 采空区，上覆已回采结束的己15-24060 采空区。工作面有效走向长1961 m，倾斜宽135.9～154.7 m，平均144.4 m。煤层厚度在0.8～2.0 m 之间，平均厚1.5 m。煤层倾角14.6～30.7°，平均22°左右，外段较陡，向里较缓。工作面标高-413～ -564 m，工作面埋深570～760 m。工作面顶板为0.1～17.8 m 厚的砂质泥岩夹薄层细砂岩，其上为己15-24060 采空区假顶，再上为5.0～8.0 m厚的砂质泥岩夹薄层细砂岩含己14 煤层。

由于该工作面为下分层工作面，上分层顶板铰接状况不好，同时机巷应力集中，巷道变形严重，加之采动影响，回采期间机头三角煤顶板破碎程度高，采煤机行至机头时容易流渣。为加强施工期间三角煤顶板安全管理，自该工作面推进约1230 m开始在工作面机头做沿走向长度5 m 长、1.2 m 宽、1.8 m 高的超前支护。推进至1550 m 左右，机头推至上分层工作面断层密集区（H＞2 m 断层4 条），工作面40 架到机头煤层倾角达到30°，机头三角煤煤壁松软易片帮，顶板破碎严重易掉顶，严重制约本工作面的安全高效回采。通过在机头超前段注射固安特顶板加固材料，有效地改善了机头三角煤煤体的坚固性和顶板的整体性，直接减少了过机头停车维护顶板的工作量和影响时间，为快速通过顶板破碎区提供了根本保障。

2 固安特材料特征

固安特是一种双液型高分子注浆产品，反应前材料常温下为液态，具有良好的渗透性，在外力作用下可渗透到微小的裂隙中的。该材料已广泛应用于井下破碎煤体加固、岩体加固。该产品反应时间短，粘结性能强，固化物机械性能高，良好的柔韧性可以承受地层压力的长期作用，并且具有强抗渗性能、抗磨、抗冲击性能和抗老化性能。注入煤岩体的高压混合固化物不仅可以打开煤岩体中的裂缝，而且能够通过膨胀粘合将松软煤体与破碎顶板粘结起来，以承受工作面机械设备的采动影响。聚合产品的膨胀系数不小于1，反应后体积能够达到原来的2 倍以上，稳定后聚合产品粘结强度不低于 3 MPa，标准砂固结合体抗压强度不低于30 MPa。固安特反应材料技术参数如表1 所示，固安特聚合物技术参数如表2 所示。

表1 固安特反应材料技术参数表

表2 固安特聚合物技术参数表

3 注浆工艺及技术要求

3.1 施工前工具及材料准备

液压钻机1 台，Ф42 mm 钻杆4 根，Ф42 mm钻头若干，气动注浆泵1 台，注射枪1 个，Ф19 mm风管1 根，Ф13 mm 供料高压管2 根，Ф10 mm 供液高压管2 根（长度满足需求即可），快速连接注浆管若干，配套封孔器1个，快速插头1个，机油及树脂、催化剂、两种注浆材料适量（根据破碎的裂隙实际情况来决定材料的用量）。

3.2 施工注浆钻孔

由于工作面机巷压力大，机头三角煤顶板破碎，且机头段煤层倾角达到30°，结合现场情况及重点固化目标为机头三角煤顶板，决定在机巷超前范围内向上施工孔深4 m 的注浆钻孔。钻孔布置图如图1 所示。

图1 超前注浆钻孔布置图

为了使固安特聚合体能够尽可能均匀向超前钻孔两侧蔓延，在施工钻孔时，使钻孔与煤层剖面相平行。在施工时通过调整钻孔倾角a、孔口到超前顶板的距离L、孔口到煤墙的距离X 来研究不同钻孔方案下的注浆效果。根据工程质量及支护需求，机头超前破0.2 m 铰结顶。为钻孔施工方便，同时可以满足注浆效果，经试验从煤体上开孔，通过调整倾角将钻孔延伸至铰结顶可以满足要求。因为本工作面机头段煤层倾角为30°，所以钻孔倾角a 必须大于30°才能穿透煤层进入顶板。经计算得：当a 为45°时，4 m 钻孔在水平方向和垂直方向的投影均为2.828 m，在煤层倾向方向的投影为3.9 m，在煤层法向投影为1 m。结合在采用不同的角度时的施工情况发现，固安特聚合体能够从工作面2 架顶板处渗出达到期望效果，且在注浆过程中不会在进入铰结顶以前过多渗入煤体中去。同理，发现L为0.6 m 时，不仅钻孔施工方便，而且聚合体能够在铅垂方向扩散较好，铰结顶固化位置很准确。此外，工作面为“三八制”劳动组织，两班生产，圆班按5 刀煤组织，循环进尺0.6 m，正规作业循环下日循环进尺3 m，而顶板裂隙较大，结合本产品扩散半径，经现场试验表明，当X 为3 m 时，注浆20 桶即可达到期望效果，其固化范围够2 日推进。当顶板极其破碎，裂隙非常大时，可缩小X 至2 m，每日注浆1 次，缩小范围，加强小范围顶板固化效果（对于塌孔严重区域可直接采用自钻式注射管实现钻孔和注浆一体化进行）。

3.3 安设连接注浆管路

（1）安装注浆管。依次连接粗细两种规格注浆管，通过调节封孔器安装位置调整封孔深度，一般距外孔口3 m。

（2）按照要求接入注浆泵的供风管路和出料管路。在注射枪接入注浆管路前，应首先进行注射试验，保证注浆管路和泵及其它设备的可靠性。主要通过观察两种材料的出料比例及混合材料是否反应判断各设备是否正常。设备安装示意图如图2 所示。

图2 设备安装示意图

3.4 注浆过程控制

（1）开始注浆。注浆过程中需保证封孔质量，调整注浆速率。密切观察注浆区域煤岩体是否脱落，出现漏料、串浆应及时停泵处理。当孔口出浆时，可用破布或者袋子继续进行封孔，当其它位置出浆时，应及时停泵，减少漏料，避免浪费。

（2）达到预期注浆效果即可停止注浆。一般根据现场出料情况确定停注时机。并非注料越多越好，达到固化效果即可，注浆过多不仅材料费用高，而且增加生产中的大块率。

（3）注浆完毕后，清洗设备和配件。按照注浆设备要求进行设备清洗，首先用水清洗泵体抽料缸体，再用机油清洗催化剂抽料缸。

4 效果

（1）通过在己16-24060 综采工作面机巷超前段施工注浆钻孔对机头三角煤破碎顶板进行注浆加固，有效地控制了三角煤壁的片帮以及破碎顶板的冒落，创造了安全的生产条件。

（2）直接减少了恶劣地质条件下采煤机过机头的维护工作量和影响时间，节省了人力物力，为单班5 刀煤正规作业循环提供了保障。

（3）在工作面顶板周期来压时，注浆后的煤壁未发生明显片帮，支架端面距符合要求。

（4）渗入破碎顶板的聚合体改善了三角煤顶板的完整性，保证了倾斜煤层工作面支架的支护质量，有效地避免了工作面液压支架因不接顶而发生歪架、咬架等问题。