8128 综采工作面破碎顶板注浆加固控制技术研究

邢佳俊

（华阳集团新景公司，山西 阳泉 045000）

随着煤炭开采逐渐转入深部，由于高地应力的作用，导致工作面顶板来压显现剧烈，容易危及矿井安全生产[1-5]。新景煤矿8128 工作面顶板软弱且破碎现象严重，以新景煤矿8128 综采工作面为研究背景，分析工作面顶板破碎的主要影响因素，采用注浆加固的技术，实现综采工作面围岩控制。

1 工程背景

新景煤矿目前主采8#煤层，正在回采的8128工作面位于8#煤芦南区北翼采区，东为8127 工作面（已掘），南为8#煤芦南区北翼采区大巷，西为8129 工作面（未掘），北为525 水平中条带大巷。工作面埋深336～506 m，平均埋深421 m，走向长1189 m，倾斜长220 m，面积261 580 m²。8128 工作面煤层平均厚度2.94 m，基本顶为6.65 m 的中粒砂岩，直接顶为8.08 m 的泥岩，直接底为1.87 m的砂质泥岩。

2 破碎顶板注浆加固机理分析

2.1 软岩破碎顶板破坏特征分析

一般情况下，直接顶岩体内部的原生、次生裂隙导致岩体内部形成形态各异的各种岩块，岩块相互铰接，在自然状态下处于静力平衡状态[6-7]。随着工作面的正常回采，岩体内部原有的平衡状态被打破，岩块沿结构面出现滑移。岩块内部的垂直载荷常用P表示，将P进行正交分解，可以得出块体的稳定性系数如式（1）：

8128 工作面直接顶为厚8.08 m 的泥岩，强度较低，整体较破碎，在工作面开采过程中，由于采动应力的作用，工作面顶板片帮现象严重。通过对直接顶岩块的稳定性系数分析可以发现，岩块的稳定性系数与岩块粘结力、接触面积及内摩擦角强度有较大关联。因此，通过注浆加固的方法，提高岩体强度，可有效解决顶板破碎造成的工作面顶板片帮问题。

2.2 顶板注浆加固机理分析

一般情况下，对于工作面顶板，注浆可使得顶板内部的裂隙发生闭合。由于未实施注浆时岩体内部的C、S 值普遍较小，注浆并不能对煤岩体内部原有的力学参数产生影响，但却有效提高了岩体内部原有的接触面积，由于浆液的粘结作用，使注浆后的岩块内部接触面积提高，即C 值增大，因此，通过注浆的方法，可有效提高岩块的稳定性系数，可保证工作面顶板围岩的完整性。

注浆加固工作面破碎顶板的原理即为采用浆液对顶板裂隙进行充填，固结围岩的裂隙面，使顶板裂隙达到一定程度的闭合，有效提高围岩的完整性，使围岩的整体承载能力有所提高，以达到保证顶板围岩稳定的目的[8-10]。对工作面顶板易发生冒顶及帮部出现片帮的区域进行注浆加固，利用浆液的粘结力，固定顶板及帮部。

3 大采高工作面破碎顶板加固技术

3.1 注浆加固材料配比

根据8128 工作面顶板破碎的特征，选择抗压强度高、化学反应快、粘结力强的阻燃高分子聚合物久米纳作为治理破碎顶板注浆的主要材料。久米纳的主要技术指标见表1。注浆采用矿用3ZBQS-12/20 气动化学注浆泵。

表1 久米纳主要技术指标表

3.2 主要施工参数

3.2.1 钻孔参数

（1）施工位置

8128 工作面顶板及8128 工作面回采巷帮部。

（2）钻孔参数

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钻孔直径：45 mm；钻孔深度：8～14 m；钻孔间距：4.5 m；钻孔倾角：15°～20°；位置：工作面顶板下方400～1600 mm。具体分为以下三类：

① 顶板较破碎，且帮部片帮不超过1 m 范围的，采用以下两种钻孔参数相结合的方式进行施工：

A.将钻孔布置在距工作面顶板下方400 mm，孔深8 m，倾角15°；

B.将钻孔布置在距工作面顶板下方800 mm，孔深10 m，倾角20°。

② 顶板较破碎，且帮部片帮不超过2 m 范围的，采用以下两种钻孔参数相结合的方式进行施工：

A.将钻孔布置在距工作面顶板下方600 mm，孔深10 m，倾角15°；

B.将钻孔布置在距工作面顶板下方1200 mm，孔深12 m，倾角20°。

③ 顶板较破碎，且帮部片帮超过2 m 范围的，采用以下两种钻孔参数相结合的方式进行施工：

A.将钻孔布置在距工作面顶板下方800 mm，孔深12 m，倾角15°；

B.将钻孔布置在距工作面顶板下方1600 mm，孔深14 m，倾角20°。

3.2.2 封孔参数

采用胶囊式封孔器，封孔器直径为40 mm，长度为500 mm，自由膨胀外径达70 mm，额定压力不小于8 MPa，破坏压力不小于20 MPa，封孔深度不小于1.6 m。

采用上述施工参数进行现场施工，以第一类情况为例，现场钻孔布置示意图如图1。

图1 现场钻孔布置示意图

4 注浆加固效果分析

收集整理注浆前后15 d 的工作面回采进尺，作为评价工作面顶板注浆效果的指标参数，整理数据见表2。根据表2 中数据绘制进尺曲线图如图2。

图2 注浆前后日进尺对比效果图

表2 注浆前后工作面回采进尺统计表

根据表2 及图2 数据得出，在8128 工作面实施顶板注浆加固后，工作面进尺产生明显变化。在未实施注浆加固时，工作面最低进尺为3.2 m，最高进尺为3.8 m，工作面日平均进尺为3.5 m/d，通过对顶板实施注浆加固后，工作面最低进尺4.2 m，最高进尺为4.8 m，工作面日平均进尺4.6 m/d，注浆前后日平均进尺提高1.1 m/d，提高效率达31.43%。

对8128 工作面实施注浆加固后，工作面顶板稳定性有效提高。统计结果显示，在未实施注浆加固前，工作面顶板冒顶高度约为0.5～0.9 m，冒顶频次约为1～3 次/班；实施注浆加固后，工作面顶板冒顶高度约为0～0.3 m，冒顶频次约为0～1 次/班。经过注浆加固，8128 工作面的冒顶现象明显减少，垮落的矸石也明显减少，有效减少了工人清理冒落矸石花费的时间，提高了工人的劳动效率，保证了矿井安全高效生产。

5 结论

（1）通过对8128 工作面破碎顶板主要影响因素的分析，提出采用注浆加固的方法提高顶板破碎围岩的粘结力，增大裂隙之间的接触面积，达到保证破碎顶板围岩完整性的目的。

（2）现场注浆工业性试验结果显示，实施注浆前后的监测周期内，注浆后工作面日平均进尺较未注浆前提高约1.1 m/d，提高效率达31.43%，工作面冒顶现象明显减少，保证了矿井安全高效生产。