注浆加固技术在大采高工作面片帮治理中的应用

翟 嵩

(山西长治王庄煤业有限责任公司，山西 长治 046000)

大采高综采技术经过多年的发展，技术、装备已经非常完善，由最初的3.5 m大采高已经发展到了如今的8.8 m大采高，该技术以其突出的优点被各大矿区广泛应用。但是随着采高的增加，工作面煤壁稳定性也在逐渐下降，煤壁片帮的概率及面积都有所增加[1-2]。煤壁片帮期间，飞溅的煤块不但直接对设备及人员造成伤害，而且煤壁片帮后会使支架前方形成空顶，引起工作面冒顶，极大地阻碍了矿井安全高效发展[3-4]。

1 工程概况

山西长治王庄煤业3505工作面主要开采3号煤，煤厚5.2 m，设计采高5.2 m，煤层平均倾角为4°，工作面倾斜长度为360.5 m，走向长度为2 100 m。工作面布置210台ZY9000/25.5/55D液压支架，工作面直接顶为泥岩，平均厚度5.2 m，基本顶为粉砂岩，平均厚度7.20 m，直接底为炭质泥岩，平均厚度2.40 m。遇到工作面来压期间，煤壁会出现大面积片帮，片帮范围超过工作面1/2区域，中部最为严重，片帮深度最大达2 000 mm，且遇到强烈来压，局部区域出现严重漏顶现象。

2 片帮机理分析

随着工作面的推采，新的煤壁不断暴露出来，其稳定性受到煤体自身强度、工作面采高、支架强度等综合因素影响。采高越大顶板来压期间对工作面煤壁造成的集中应力越大，当工作面支架强度不足，顶板产生变形量大，弯曲变形的顶板将应力向煤壁前方传递，当煤体自身强度不足以承受高应力时就会发生片帮现象。

结合工作面实际情况，分析3505工作面发生片帮的主要原因如下：

1) 工作面采高大。工作面采高大，形成的回采空间大，顶板运动产生的弯曲变形量大，在工作面煤壁前方形成高应力区，导致煤体逐渐发生破坏，加之支架对煤壁的支护效果不足，导致工作面发生片帮现象，尤其在工作面来压期间表现剧烈。

2) 直接顶为泥岩。工作面顶板为泥岩，强度小，裂隙较发育，受到采动及顶板压力的双重作用，煤层附近的泥岩顶板极易破碎冒落，当泥岩冒落后，煤壁与顶板之间失去有效粘结，发生片帮破坏。

3) 支架支护效果差。在回采过程中直接顶易破碎，当工作面通过破碎区时，支架接顶效果差，不能“低头、抬头”现象，不能对顶板形成有效的支护，顶板压力就会向煤壁前方转移，当应力超过煤体强度时，就会发生片帮现象。

3 片帮观测及分析

为了更好地对片帮进行防治，特对3505工作面生产过程中煤壁片帮特征进行了观测。设置专人每循环对工作面煤壁片帮情况进行记录，记录内容包括片帮的深度、宽度、位置和范围等，观测结果如图1所示。

图1 不同阶段工作面煤壁片帮素描(mm)

在3505工作面生产过程中，一直有煤壁片帮现象伴随，其中初次来压期间最为严重，面积大、范围广，工作面46.7%的区域均发生了煤壁片帮现象，片帮主要集中在煤壁上部；周期来压期间片帮范围有所减小，片帮范围占工作面35.1%，但是强度却并没有减弱，主要集中在煤壁中部；正常生产期间片帮范围进一步缩小，片帮范围占工作面29.3%，但是片帮面积及强度却依然较大，片帮主要集中在煤壁上部。不同阶段的煤壁片帮特征如表1所示。因此对于3505工作面采取有效的煤壁片帮控制措施已经势在必行。

表1 3505工作面生产过程中煤壁片帮情况

4 煤壁片帮治理技术

根据现场对煤壁观测，尤其来压期间破损严重，因此根据以往经验应采用煤壁注浆加固方式来防治片帮[6]。

4.1 注浆材料

本次注浆使用高分子化学煤岩体加固材料对煤体进行预注浆加固，浆液在普通裂隙开度和孔隙率下的扩散半径为1～1.5 m，开始注浆到浆液完全扩散或渗透到被注载体中所需要的时间一般为10～15 min，注射压力可高达21.0 MPa。

4.2 注浆孔布置

在工作面煤壁布置上下两排注浆孔，上排孔距离顶板位置500～800 mm，根据现场情况进行调整，孔径为42 mm，钻孔间距为3 000 mm，孔深6 000 mm，向上倾斜25°进行打设，保证上排钻孔打入直接顶内部。下排孔与上排孔交错布置，距离上排孔2 500 mm，孔径为42 mm，钻孔间距为3 000 mm，孔深4 000 mm，垂直煤壁打设。注浆孔具体布置如图2所示。

图2 注浆孔布置

4.3 注浆工艺流程

首先将注浆所需材料及设计带去现场，专人检查注浆设备的完好性并布置、连接注浆管路，将注浆眼与煤壁钻孔相连接并放置好封孔器，将注浆材料吸入注浆泵内，通过注射枪注入煤体中，注射完毕后进行封孔并冲洗管路，进行下一个循环，直至注浆完毕后清理现场。注浆工艺流程如图3所示。

图3 注浆工艺流程

4.4 其他辅助措施

生产过程中严格控制采高，要求工作面采高不得大于5.2 m；保证支架初撑力达标，特别在来压期间配备专人进行支架初撑力巡查及整改；发生有漏矸区域及控顶距较大的位置及时拉出超前架；保证支架架型，要求支架前梁接顶完整；合理使用护帮板，生产期间要求支架护帮板必须与煤壁紧贴。

5 片帮治理效果

工作面实施片帮治理措施后，特对3505工作面生产过程中煤壁片帮特征进行了观测。观测方法及内容与之前一样，观测结果如表2所示。

表2 注浆后3505工作面生产过程中煤壁片帮情况

由表2可知，对3505工作面实施注浆加固治理措施后，煤壁片帮情况得到了明显的好转，片帮强度、范围都明显下降，周期来压期间片帮范围较之前下降了48.1%，平均片帮深度下降了66%，平均片帮高度下降了55.4%；非来压期间片帮范围较之前下降了67.2%，平均片帮深度下降了66.7%，平均片帮高度下降了41.0%。因此充分证明煤壁注浆可以有效防治工作面煤壁片帮。

6 结 语

1) 本文对工作面煤壁片帮机理进行了分析，并对工作面生产过程中片帮特征进行了观测，观测结果显示3505工作面煤壁片帮呈现面积大、范围广的特征。

2) 根据现场实际情况，决定采用注浆加固措施来治理工作面片帮，对注浆材料选择、注浆孔布置、注浆工艺流程等方面进行详细的阐述。

3) 3505工作面片帮通过注浆加固治理，片帮强度、片帮范围都得以明显下降。