深孔注浆加固技术在大采高工作面末采阶段的应用

范卫军

（山西晋煤太钢能源有限责任公司，山西 吕梁 033207）

0 引 言

大采高工作面具有单产高、生产高度集中及对煤层厚度变化适应性强等优点，普遍用于我国中厚煤层开采的各大井田[1]。但大采高工作面因推进速度快、开采扰动大，生产过程中矿压显现较为明显，尤其是工作面末采阶段，对未回采煤体压力较大，工作面常出现片帮、冒顶事故，采动影响范围内的顺槽巷道变形加剧，不仅影响工作面推进度及产量，更影响工作面安全生产。因此，防煤体片帮、冒顶是大采高工作面末采阶段需要采取的措施。超前深孔注浆是提高煤岩体抗压强度，增强煤体结构稳定性的重要技术[2]，基于此，通过对寺河矿5303 工作面大采高末采阶段采取深孔注浆加固，解决末采阶段的片帮、冒顶问题，以确保工作面末采阶段安全、快速推进。

1 工程概况

寺河矿5303 工作面位于矿井西五盘区中部，工作面开采3 号煤层，煤层均厚5.7 m，工作面一次采全高，属大采高工作面。5303 工作面煤层底板标高-173～-206 m，地面标高+395～+476 m，工作面走向长度1 280 m，倾斜长度220 m，煤层平均倾角3°。工作面共布置4 条顺槽巷道，均沿煤层底板布置。通风方式为“两进三回”U 型通风。工作面南侧布置53031 巷和53035 巷，其中，53031 巷为皮带运输巷兼进风巷，53035 巷为材料运输巷兼进风巷。工作面北侧布置53033、53032 和53034 巷，其中，53033巷为皮带运输巷兼回风巷，53032 巷为材料运输巷兼回风巷，53034 巷为回风巷，工作面西侧为末采结束后的回撤巷。巷道平面布置如图1 所示，煤层及顶底板岩性物理力学参数见表1。

表1 煤层及顶底板岩性物理力学参数表

图1 5303 工作面平面布置图

2 大采高工作面煤体片帮、冒顶机理及治理思路

2.1 煤体结构破坏机理分析

大采高工作面发生煤体片帮、冒顶主要与煤体自身物理力学性质、工作面采高、推进度及支架阻力等因素有关[3]。煤体硬度越低，稳定性就越差，越容易发生片帮、冒顶事故。大采高工作面因采空区顶板下沉空间大，导致顶板“三带”较高，造成顶板压力较大，从而作用到工作面煤壁上的压力也增大，导致煤壁裂隙发育加剧。推进度越低，压力作用在煤壁上的时间越长，会致使煤壁裂隙更加发育。支架阻力偏低，会导致作用到煤壁的压力偏高，是引起煤壁片帮、冒顶的主要因素之一。工作面末采阶段，采动应力集中在末采煤柱上，更易引发煤墙片帮、煤体冒落。

2.2 煤体片帮、冒顶治理思路分析

根据大采高工作面煤体结构破坏机理分析可知，对煤体造成破坏主要有压裂破坏和剪切破坏两种形式，对大采高工作面煤体造成破坏的各类因素中，提升支架阻力是末采阶段必须采取的措施，但支架阻力提升范围有限，不能有效解决片帮、冒顶问题，加快工作面推进度需先解决片帮、冒顶问题。因此，为确保有效治理片帮、冒顶，需加强煤体自身物理力学性质上，即增强煤体自身的结构强度。

煤体注浆是提高煤体自身结构强度的有效方法，通过注浆使浆液渗入煤体孔隙内，浆液凝固后形成浆脉网络，实现对煤体的固结，从而增强煤体结构强度及整体稳定性。注浆固结煤体示意图如图2 所示。

图2 注浆固结煤体示意图

3 注浆钻孔布置方案设计

在工作面进入末采段前，通过工作面两巷向末采段煤体内施工深孔进行注浆，从而提高末采段煤体结构强度，为末采段防片帮、冒顶和快速推进创造条件。

3.1 钻孔布置及注浆方案

1）通过工作面两巷向末采段施工钻孔，钻孔深度、间距、排距布置要满足末采段全部煤体注浆加固的覆盖范围。

2）钻孔分高、低孔布置，终孔位置在回采高度范围内，确保浆液在煤体中均匀扩散。

3）瓦斯抽采孔与注浆深孔合一设计。即施工瓦斯抽采钻孔时，在满足瓦斯抽采前提下，按照注浆深孔设计，钻孔成孔后，先插管、封孔进行瓦斯抽采，工作面进入末采期后停止抽采变更为注浆钻孔进行注浆。该钻孔前期进行瓦斯抽采后，释放瓦斯压力，减少瓦斯压力对煤体的破坏，后期进行深孔注浆期间，又可通过注浆填补瓦斯抽采造成的煤层裂隙，从而增强煤体结构稳定性。

4）工作面回采至距离回撤巷80 m 时开始对末采段50 m 进行深孔注浆，并监测工作面两巷及回撤巷围岩变形量及变形速率。

3.2 钻孔参数设计

根据钻孔布置方案及煤岩层物理力学性质进行注浆深孔设计，从工作面53031 巷及53033 巷向末采段煤体布置注浆深孔，两巷均布置高、低2 排钻孔，每排钻孔数量均为8 个（控制末采段50 m），孔深均为105 m。钻孔布置平、剖面如图3、图4 所示。

图3 钻孔平面布置图

图4 钻孔剖面布置图

如图3 所示，下排孔距底1.5 m，上排孔距底2.5 m，孔间距均为6 m，为保证均匀注浆，上、下孔间呈“三花”布置，根据煤层倾角，53031 巷上排孔倾角为+2.5°，下排孔倾角为0°。53033 巷上排孔倾角为0°，下排孔倾角为-2.5°。

4 注浆材料与设备

4.1 注浆材料及配比选取

设计选取的注浆材料为联邦加固I 号，该注浆材料在加水搅拌后，40 min 内均具有较好的流动性，可满足管路泵送及深孔注浆扩散时间需要，且该注浆材料为超细水泥颗粒，能够进入煤层细小裂隙内，保证对煤体的注浆渗透效果。40 min 后开始凝结，9～12 h 即可完全硬化，完全硬化后单轴抗压强度可达20 MPa 以上。不同水灰比下该注浆材料在抗压强度见表2。

表2 联邦加固I 号不同水灰比抗压强度表

水灰比配比选取：根据5303 工作面末采阶段注浆需要，结合钻孔深度、凝结时间及抗压强度等因素进行综合考虑，选取硬化时间较短、抗压强度较高的0.8 水灰比。

4.2 注浆设备与注浆控制

根据深孔注浆需要，注浆设备采用压力高、排量大的ZBYSB100/20-5 型液压注浆泵，包括QB260 型气动搅拌桶、盛浆桶和输浆管路等。注浆压力控制在4～8 MPa，注浆期间可根据返液情况调整泵压，当发现串孔情况应停注一段时间后复注，发生孔外漏浆严重时应停注查明原因，重新封堵后方可再次注浆，确保注浆效果。注浆设备布置如图5 所示。

图5 注浆设备布置示意图

5 效果分析

通过对5303 工作面末采段进行深孔注浆，24个注浆孔共计注浆332.5 t，注浆后对注浆效果进行分析，具体效果如下：

1）5303 工作面回采至距回撤巷120 m 后，受采动影响及煤柱变窄原因，53031、53033 巷及回撤巷围岩变形量及变形速率开始逐步增大，回采至距回撤巷80 m 时对末采段进行深孔注浆，注浆加固后监测发现，3 条巷道围岩变形速率明显变缓。

2）回采至距回撤巷80 m 前（注浆加固前），工作面回采期间片帮次数呈上升趋势，最高片帮次数达每班11 次，片帮深度也呈增加趋势。注浆加固后，片帮次数及片帮深度有所降低，回采至距回撤巷道50 m 以内时，片帮次数最高仅每班6 次。

3）回采距回撤巷50m 以内的末采段，回采期间未发生较大片帮及冒顶事故，仅用时8 天便顺利回采至回撤巷，保证了工作面的推进度，使回采设备安全进入回撤巷，实现末采阶段的安全生产。

6 结 论

1）深孔注浆可有效改善煤体结构稳定性，提高煤体结构强度，减少煤壁片帮、冒顶事故发生。

2）通过对5303 工作面末采段采用深孔注浆实施煤体加固后，提高了末采段煤柱的煤体强度，减缓临近巷道的围岩变形速率。深孔注浆加固后，末采段回采期间冒顶次数及片帮深度得到有效控制，保证了末采阶段工作面的推进度，实现了末采段的安全生产及回采设备的顺利回撤。