大采高工作面过断层段煤壁片帮防治技术研究

田晓福

（山西潞安化工集团李村煤矿，山西 长治 046600）

0 引言

大采高采煤工艺是我国厚煤层高效开采的的主要方式之一，具有回采率高、功效高、利于集中生产等许多优势。工作面煤壁片帮一直是大采高综采所要解决的一个突出问题，也是限制大采高采煤工艺发挥自己优势的主要原因[1-2]。煤矿地质条件多样，在开采过程中断层、陷落柱等复杂地质层出不穷，一旦处理不好，就容易出现煤壁片帮、煤矿运输通风难等一系列问题，减少矿井服务年限，降低采掘效率，造成很大损失[2-6]。为解决这些难题，学者展开研究并取得了许多进展[7-13]。注浆具有提高岩体强度、提高岩体抗变形能力、防止煤壁片帮等作用[14-15]。针对李村煤矿2303 工作面存在多个异常区、坡度较大、地质异常等多重方面的问题，计划对2303 工作面在两顺槽超前进行深孔注浆加固措施，保证工作面正常回采。

1 概况

2303 工作面切眼位于2302 工作面回风巷末端，开口里程为2302 工作面回风巷1 270 m 处。西邻2302 工作面回风巷，东邻2303 工作面回风巷。工作面进风巷450～680 m 巷道坡度变大，为9°～15°仰采，且此位置工作面内部为D4 号异常区。开采3 号煤层，煤层平均厚度4.4 m，倾角0～10°。煤层直接顶和基本顶都由粉砂岩组成，厚度分别为7.15 m、2.15 m；伪顶由泥岩组成，厚度为1.7 m；直接底由炭质泥岩组成，厚度为1.4～1.9 m；基本底由砂质泥岩组成，厚度为0.8 m。2303 工作面平面如图1所示。

图1 2303 工作面平面剖面示意Fig.1 Plane and section drawings of No.2303 Face

2 深孔注浆方案

2.1 注浆范围

对工作面D1 号异常区（工作面停采线位置）及D4 号异常区（进风巷大坡段） 影响范围进行顺槽深孔注浆超前加固措施。

（1） D1 号异常区注浆加固。对工作面停采线前20 m 及停采后15 m 范围进行两巷深孔注浆加固。加固范围沿回采方向35 m。

（2） D4 号异常区注浆加固。对D4 号异常区及前后30 m 范围进行两巷深孔注浆加固，加固范围沿回采方向340 m。

结合工作面地质构造特点，选用无机单液注浆材料威固Ⅰ号对工作面破碎煤体及岩层进行超前预注浆加固。考虑工作面注浆加固范围较大，兼顾工作面巷道深孔探测地质构造施工，决定采用在工作面回风巷和运输巷分别施工60 m 深孔+120 m 深孔交替注浆的加固技术方案。

2.2 钻孔布置

D4 号异常区影响范围分别向外延伸30 m 左右，总注浆范围约为340 m；D1 号异常区影响范围往切眼方向30 m，停采线往外15 m，总注浆范围约为49.2 m；进、回风巷均施工单排钻孔，钻孔开孔高度2 m。钻孔分为2 种，顶板孔120 m 和60 m，孔间距6m 终孔位置为煤层顶板往上3 m；煤层孔120 m，孔间距6 m，终孔位置为煤岩交接面与煤层间隔布置。需施工60 m 顶孔120 个，施工120 m 顶孔122 个，施工120 m 煤岩交界面孔122个，施工120 m 煤孔122 个。工作面注浆孔俯视图如图2所示。

图2 2303 工作面注浆孔俯视图Fig.2 Grouting hole vertical viewof No.2303 Face

2.3 注浆管与封孔

（1） 注浆管。为了防止巷旁破碎区漏浆，孔口部分采用6 分无缝钢管作为封孔管，封孔长度为8m，由4 节钢管连接而成；同时，为了防止孔内塌孔堵塞注浆通道，注浆钻孔内剩余部分需插入直径为32 mm 的筛管，筛管直下至孔末端。

（2） 封孔工艺。钻孔施工后为了防止塌孔，需要立即对钻孔插入注浆管并进行封孔，封孔的目的是为了防止在注浆时孔口漏浆，导致注浆效果降低，封孔效果直接影响注浆加固效果，因此，本次注浆采用两堵一注封孔器进行封孔。若注浆过程中出现孔口漏浆情况时使用威固二号进行堵漏，确保注浆效果。

2.4 加固材料性能参数

威固I 号加固材料性能主要表现为高渗透性、高强度特性，凝结时间和胶结强度可调。胶凝时间为45 min≤t≤240 min；材料颗粒平均粒径3～5 μm，可注性较好；8 h 后强度快速增长，24 h 强度可达25 MPa 以上，3 d 强度可达35 MPa 以上，最终强度可达50 MPa 以上。

威固II 号注浆材料性能主要表现为快凝、早强、高渗透性、结石率高等特性，凝结时间和胶结强度可调。综合考虑，选择最优水灰比0.6∶1，24 h 的抗压强度能达到22.3 MPa。

3 工业性试验

在工作面煤壁还未注浆加固时，根据对工作面煤壁片帮的观测，可以得到煤壁片帮的3 种形式，分别为底部片帮，腰部片帮以及顶部片帮，其中腰部、顶部片帮发生率占比较高。煤壁片帮深度从0.5～1.5 m 不等，使工作面支架和刮板输送机推进存在不稳定性。为了解2303 工作面煤壁注浆过后的片帮控制效果，在工作面3 个周期来压期间，工作面大约推进30 m 范围内进行矿压观测，主要对煤壁片帮的深度、形式、区域进行记录，观测频率为每天1 次，通过观测结果分析，得到本次注浆加固效果，如图3所示。

图3 注浆加固后工作面煤壁片帮深度及位置统计结果Fig.3 Statistical results of depth and position of coal wall spalling in working face after grouting reinforcement

由图3可得，在3 次周期来压期间，工作面煤壁片帮得到了有效控制，煤壁最大片帮深度为32 cm 左右，在工作面10～50 m 发生工作面煤壁片帮次数较多，大多为顶部片帮；煤壁工作面其他区域很少出现煤壁片帮情况，最大片帮深度也控制在30 cm 以内。证明使用威亚Ⅰ号材料注浆加固后产生了良好效果。煤体和注浆液共同形成结石体，提高了煤体的粘聚力，自身强度和完整性，弥补煤体自身强度的不足，达到了较好地防片帮效果。

4 结论

（1） 本文针对2303 工作面地质情况，计划了超前深孔注浆加固方案，优化选择了注浆时机、注浆孔位置，起到了很好的效果，提高了工作面回采效率，保证快速安全生产，提高了经济效益。

（2） 由工业性实验可以得到，实施了超前深孔注浆加固方案后，弥补了煤体自身强度的不足，解决了2303 工作面煤壁片帮严重的问题，为2303工作面回采期间煤壁的稳定性提供了保障。

（3） 实施的大采高工作面过断层超前深孔注浆加固措施，解决了李村矿大采高工作面煤壁片帮严重这一难题，工作面片帮和冒顶得到了有效控制，实现了工作面正常回采，为解决大采高工作面过断层煤壁片帮问题提供了参考。