元甲煤矿复合顶板工作面深孔注浆加固技术研究

张江峰

（山西乡宁焦煤集团元甲煤业有限公司，山西 乡宁 042100）

1 工程概况

元甲煤矿目前主采煤层为2 号煤层，煤层埋深213 m，平均厚度3.17 m，为近水平煤层，煤层含夹矸1～2 层，夹矸厚度0.30～0.65 m。20103 工作面走向长度1 650 m，倾斜长度200 m，采用综合机械采煤法一次采全高，采空区采用全部自然垮落法处理，工作面采用两巷布置，进风巷及回风巷高度均为2.6 m，宽度为4.9 m。

根据地测部门提供的资料显示，在20103 工作面开切眼前方150 m 范围内的煤层上方存在复合顶板，其结构由1～2 m 厚的薄层状泥岩及其上方0.3 m 厚的不发育煤层组成。该结构下的顶板稳定性较差，强度低，遇水后易膨胀变形，在采动影响下容易冒落，且在巷道掘进过程中就频繁出现冒落现象，部分区域冒落高度超高，为此，在掘巷施工时通过留底煤或顶板背实木块来保证巷道高度。受复合顶板结果影响，工作面回采时，煤壁片帮及顶板冒落频繁发生，严重影响了工作面的推进速度。因此，需对引起工作面复合顶板冒顶事故频发的原因展开研究，并针对性的提出解决方案控制顶板的稳定性。

2 工作面冒顶原因分析

2.1 现场观测分析

在工作面回采时，对顶板的情况跟踪观察，发现工作面冒顶及煤壁片帮按一定的先后顺序发展。首先工作面煤壁发生片帮，对上方顶板的支撑作用减弱；由于顶板强度较弱，随之发生局部冒落；支架移架后，由于上方顶板漏冒，接顶困难，其支护阻力无法有效控制顶板，导致顶板进一步冒落。由此逐渐形成恶性循环，顶板持续冒落超高，导致工作面不得不太高，严重影响了煤质和回采效率。

通过现场观测可以得出，影响顶板漏冒的关键因素在于煤壁片帮，由于复合顶板软弱破碎，一旦失去煤壁支承，就会冒顶。因此，解决顶板的漏冒，需先稳定住煤壁，只有控制煤壁的片帮，才能使顶板得到足够的支撑，进而保证顶板的稳定性。

2.2 数值模拟分析

影响顶板漏冒除了煤壁片帮还有顶板自身强度，煤壁片帮受煤体强度影响，因此，利用FLAC3D数值模拟软件，分析工作面顶板破坏深度受顶板强度及煤体强度的影响程度。以元甲煤矿实际地质条件及煤层赋存情况建立模型，根据单因素分析法，共设计5 组模拟方案，前4 组控制顶板强度参数不变，改变煤体强度，第5 组保持煤体强度与第1 组相同，改变顶板强度，模拟方案表见表1。

表1 模拟试验方案

模型上表面施加3.10 MPa 的应力模拟覆岩载荷，在控顶距上方的节点施加面力支架的工作阻力，各方案模拟计算后的塑性区分布如图1 所示，煤壁及顶板破坏深度结果统计见表2。

表2 模拟结果统计

通过模拟结果可知，随着顶板强度的提高，顶板和煤壁的破坏范围和程度未得到明显的改善，而随着煤体强度的提高，顶板及煤壁塑性区范围缩小幅度较大，改善作用明显。这与现场观测分析结果一致，控制顶板冒顶的关键在于稳固煤壁，可通过注浆加固提高煤壁强度。

3 深孔注浆加固方案

3.1 钻孔布置方式

根据上述分析，注浆钻孔应尽量布置在煤壁中，提高煤体强度，还需兼顾顶板，对复合顶板发育的裂隙进行填充，提高顶板完整性，可以达到更好的控制效果。

20103 工作面煤层沿走向和倾向均为近水平，可在进风巷、回风巷打超前钻孔，两巷钻孔的布置方式相同，布置方式如图2 所示。

图2 钻孔布置方式图

钻孔均在巷道主帮煤壁上施工，上下2 排交错式布置。下排钻孔开孔口距巷道底板1.5 m，向上倾斜（仰角5°），孔间距为10 m，钻孔深度为100 m，钻孔终端位于煤层与顶板交界面，主要提高煤层强度；上排钻孔开孔口距底板2.5 m，孔间距10 m，仰角为6°，孔深100 m，钻孔终端在顶板上，主要提高顶板强度，上下排钻孔的孔径均为88 mm。

3.2 最佳注浆时机的确定

在进行注浆前，需对工作面超前支承压力影响范围内的煤体裂隙发育程度及其注浆可行性进行分析，以此确定出最佳的注浆加固时机。

根据矿压观测可知，20103 工作面的超前支承压力影响范围为55 m，工作面前方20 m 范围为剧烈影响区，支承压力峰值位于距工作面前方8 m 处。其支承压力分布如图3 所示。

图3 超前支承压力分布特征图

由图3 可知，可将工作面前方按照支承压力的大小划分为4 个区域，通过超前探孔对各分区内的煤体裂隙发育程度及注浆可行性进行观测分析。分析结果见表3。

表3 工作面前方煤体裂隙发育程度及可注性分析表

由表3 可知，工作面前方0～20 m 范围内的煤体裂隙发育程度高，可注性良好，但由于此时煤体较破碎，浆体无法起到加固强化作用，且施工中存在漏浆的风险；而55 m 范围外既原岩应力区，该区域煤体裂隙不发育，基本处于闭合状态，浆液无法打进去，容易形成大范围浆液凝结块，反而影响割煤；工作面前方20～55 m 范围为应力降低区，此区域煤体裂隙较为发育，浆液流通性好，且煤体结构尚未完全破坏，浆体可以充分起到加固强化作用，随着工作面推进，该区域煤体裂隙仍会进一步发育，为提高注浆量，最佳注浆时机确定为距工作面前方20～40 m 范围内。

3.3 注浆材料

注浆材料选用超细硅酸盐水泥类材料，其水灰比为0.5∶1，加水充分搅拌后，前1 h 具有良好的流通性，之后逐渐变粘稠，具有较强粘附性，3 h 后失去流通性，10 h 后凝结成固体，且强度较高。该材料主要具有以下几个优势：

1）流通性好。浆液可以充分流动，凝结时间较长，满足深孔的长时间注浆，且渗透性高，扩散范围大。

2）细度高。浆液内的颗粒平均粒径达5.5μm，可以较好地填充煤岩体中的裂隙。

3）强度高。经室内强度测试实验得出，注浆材料2 d 后抗压强度达到18 MPa，4 d 后达到抗压强度24 MPa，一周后的抗压强度可达到34 MPa。可见其强度不仅高，且增长速度较快，能够有效加固煤岩体。

4 应用效果分析

现场在20103 工作面前方150 m 施工注浆，注浆完成后，工作面开始推进，经过注浆区时，顶板和煤壁基本平直完好，发生的小范围漏顶片帮共20 架次，其中最大煤壁片帮深度1.0 m，最大漏顶高度0.5 m。相比于类似工程条件下的20040 工作面推进150 m 过程初中发生的漏顶、片帮事故次数减少了65%，且经过注浆加固后，工作面推进150 m 仅耗时33 d，而未经注浆的20040 工作面推进150 m，需耗时67 d，其回采效率提高了51%。

5 结 论

根据20103 工作面复合顶板的地质条件，通过现场观察及数值模拟分析得出引起工作面顶板漏冒的关键在于煤壁，通过深孔注浆预加固可以有效防止煤壁片帮和冒顶。为使得浆体的作用得以充分发挥，通过分析确定出合理的钻孔位置应布置在煤体内，并兼顾提高顶板强度，在超前工作面20～40 m范围时为最佳注浆时机。现场应用结果表明，采用深孔注浆加固方案有效控制了复合顶板工作面的冒顶及煤壁片帮，为类似工程地质条件下的开采提供了参考价值。