大采高工作面三角区注浆加固技术的应用

张 俊

（山西晋煤集团寺河煤业有限责任公司，山西 晋城 048000）

注浆加固使浆液和破碎煤体重新胶结成新的整体，对保持围岩力学性质长期稳定意义重大[1-2]。

寺河矿大采高工作面开采强度较大，工作面矿压显现剧烈，造成工作面煤壁片帮、冒顶、三角区破碎等现象[3-5]，巷道二次利用变形严重等问题成为制约大采高工作面安全高效开采、综采设备效能发挥的重要制约因素。采用注浆加固技术以提高端头区域煤体的强度以及稳定性，保持该区域煤体的完整性，有利于大采高工作面安全高效开采。

1 工程概况

寺河煤矿13081 巷道为上一工作面留巷，受1307 工作面采动侧向压力影响，煤柱破碎，煤体稳定性降低。1308 工作面为一次采全高，煤层开采高度为6.2 m，而13081 巷高为3.8 m，工作面端头与巷道相邻区域形成斜面，使工作面端头区域煤体稳定性进一步降低。在端头区内，斜面为弱面，在巷道端头顶板与上覆集中应力作用下，导致煤体破碎片帮，给工作面端头三角区控制带来困难。1308 大采高工作面端头剖面示意图如图1。

图1 1308 大采高工作面端头剖面示意图

2 大采高工作面三角区破坏规律

大采高工作面矿压显现强烈，端头三角区跨度大，应力集中，且一侧巷道为上一采煤面留巷，受上个工作面采动影响，煤帮更为破碎，容易发生顶板事故。受到回采工作面超前支承压力的影响，煤壁极易发生片帮，尤其是煤壁两端头出现应力集中现象，产生大面积的片帮冒顶，导致破坏现象非常严重。

13081巷道变形破坏规律主要受两次采动影响，煤体破碎，工作面端头受集中作用力影响下发生片帮、冒顶。一次采动影响受1307 工作面侧向支承压力作用所致，根据巷道变形程度将工作面后方依次划分为初始变形区（小于50 m）、剧烈变形区（50～240 m）、趋于稳定区（大于240 m）三个分区；二次采动影响受1308 工作面采动影响所致，大致可以将13081 巷前方采动影响范围划分为无采动影响区（大于70 m）、初始采动影响区（30～70 m）和剧烈采动影响区（0～30 m）三个区。同时，煤柱侧向应力向端头三角区域转移，进一步加剧了端头区的破坏。

3 注浆加固工作面端头片帮技术

3.1 注浆加固方案设计

采用深浅孔交替注浆加固的注浆方式，浅孔注浆加固巷道，深孔注浆加固大采高工作面三角区域。浅孔注浆主要对浅部较为破碎的煤体进行注浆加固，可以实现注浆过程中快速堵漏；同时，浆液作用于低围压下的松动破裂煤体，使弱面的力学性能重新分布，提高间隙之间内摩擦力和粘聚力，从而改善煤体承载强度。深孔注浆主要是对深部煤体进行加固，提高破碎煤体的承载性能，使浅部和深部加固的煤体贯穿胶结，从而提高煤体的整体强度。深浅孔交替注浆技术，可大大提高破碎煤体的整体胶结性，对破碎煤体的残余强度恢复提高具有重要的作用。

3.2 注浆加固钻孔参数设计

在13081 巷进行深、浅孔注浆试验，即超前工作面距离约8 m 向工作面煤壁施工深、浅交替钻孔进行注浆加固。在注浆过程中为防止浆液通过相邻钻孔渗出，在前一钻孔注浆结束再施工相邻的下一个钻孔。

浅孔位置距离巷道底板2.5 m，深孔位置距离巷道底板1.5 m，相邻两个钻孔（深、浅孔）的孔口位置水平方向间隔距离为3 m，相邻两个浅孔（或深孔）孔口位置水平方向间隔距离为6 m，如图2。浅孔注浆钻孔直径为42 mm，仰角为40°，深度为6 m，如图3。深孔注浆钻孔直径为42 mm，仰角为30°，深度为12 m，如图4。

图2 巷帮钻孔布置平面图

图3 浅孔注浆钻孔布置剖面图

图4 深孔注浆钻孔布置剖面图

注浆管主要分为两部分：孔口管和注浆管。其中孔口管长度为2 m，用于连接送浆混合管和注浆管。为利于孔口封孔，在管壁缠绕铁丝并进行点焊，用棉纱进行缠绕封堵。注浆管材质采用铝塑管，根据深、浅孔不同，铝塑管长度L 分别为4 m、10 m。同时在注浆管出浆端孔壁打直径为5 mm 的钻孔，相邻钻孔间距（孔中心到孔中心）为10 cm，钻孔段长度为2 m，以便于浆液扩散，增大注浆范围。

3.3 注浆材料及设备介绍

3.3.1 注浆加固材料

注浆材料采用无机双液注浆材料，是一种速凝、早强的泵注性注浆材料。双液材料分为A 料、B 料，A 料主要成分为熟石灰，B 料主要成分为石灰和石膏，辅助以添加剂制备而成，材料与煤体的胶结性较普通水泥大大提高。A、B料单液存放6 h内不泌水、不凝固、不沉淀，双液混合后8～15 min 硬化，适用于巷道加固、破碎煤壁注浆等对凝固时间有要求地点。该材料不同龄期抗压强度见表1。

表1 注浆材料抗压强度对比（MPa）

3.3.2 注浆加固设备

注浆加固采用2ZBQ 型系列气动注浆泵，以空气驱动做功，供气压力0.4～0.6 MPa，可在煤矿安全使用，且长时间工作而无发热问题。工作介质（浆液，压缩空气）传递压力信号，组成闭环自动调控性能；可以无级调节排浆量，注浆压力0～16 MPa，最大流量30 L/min；泵随注浆压力变化调节排浆量时，可保持两种浆液的出浆量配比。

搅拌桶采用QB150 型矿用气动式搅拌桶2 台。该搅拌机以压缩空气作动力，可调节搅拌速率，使粉料搅拌充分。

3.4 注浆加固施工工艺

根据工作面现场施工条件及注浆材料性能设计采用中深浅孔布置，浅孔注浆水灰比采用0.8:1，深孔注浆水灰比采用1.5:1，注浆过程中出现漏浆严重时可适当减少注浆压力及降低水灰比。

注浆施工过程中注浆压力为检验注浆效果的主要参数，同时注意每孔注浆量，若注浆时间过长，应检查是否存在漏浆通道。注浆量单孔最大不超过0.6 t。

4 效果考察

为考察注浆加固效果，采用钻孔窥视的方法对注浆和未注浆区域分别进行钻孔窥视，观察钻孔围岩体中裂隙发育情况及浆液充填效果，分析现场注浆加固效果。钻孔窥视仪选用KDVJ-400 矿用钻孔电子窥视仪，窥视结果如图5。

通过对比可知，注浆后的围岩体较为完整，没有发现破碎煤体、裂隙和断裂面出现，并且注浆材料能够很好地和破碎煤体粘结，使破碎煤体重新生成了一个新的整体，增强煤体的抗变形能力。

图5 注浆前后钻孔窥视结果对照图

统计工作面注浆加固后煤壁片帮情况，明显发现煤壁片帮量明显减少，平均片帮深度0.55 m，最大0.8 m，片帮率降低了82%以上，能够有效地控制煤壁，不影响生产，达到防治煤壁片帮的要求。

5 结论

（1）大采高工作面端头破坏主要是因为工作面采动强度大，巷道受两次采动影响，导致工作面端头三角区煤体破碎、片帮严重，煤体稳定性低，制约了大采高工作面安全高效开采。

（2）采用深浅孔交替注浆加固技术，浅孔加固巷道，深孔加固三角区域。无机双液注浆料，单液6 h 内不凝固、不泌水、不沉淀，混合后凝结时间为5～12 min，10 h 强度能8～14 MPa，最终强度20 MPa。

（3）根据钻孔窥视结果可知，注浆后的围岩体较为完整，并且注浆材料能够很好地和破碎煤体胶结，使破碎煤体重新生成了一个新的整体，增强煤体的抗压能力。煤壁片帮率降低了82%以上，有效控制工作面端头片帮，保证了工作面安全高效开采。