综采工作面复合顶板深孔注浆控制技术研究

王亚楠

（山西泽州天泰坤达煤业有限公司，山西 晋城 048019）

0 引言

大采高综采工作面具备机械化程度高、推进速度快等优点，同时随着采面高强度开采的不断推进，采面回采期间矿压显现显著，容易出现煤壁片帮或者冒顶等事故，制约采面生产[1-3]。同时在采面回采区域内发育有陷落柱、断层、破碎顶板或者复合顶板时，采面顶板管理难度会显著增加[4-5]。现阶段针对顶板问题，普遍在采面内布置注浆钻孔并注入化学浆液，但是现场应用时存在注浆成本高、化学浆液消耗量大以及采面注浆影响生产等问题，同时化学浆液存在有一定的腐蚀性、毒性等问题[6-8]。山西某矿3305 综采工作面在开采范围内部分区域为复合顶板，采面在复合顶板区域内回采时面临顶板控制难度高、冒顶以及片帮等问题，为此依据采面现场情况提出在回采巷道内进行深度注浆提高复合顶板及煤体强度及承载能力，减少采面内化学浆液注入量，以便为采面安全高效回采创造良好条件。

1 工程概况

3305 综采工作面回采的3#煤层厚度均值4.75 m，埋深360 m，倾角2°～6°，采面采用大采高开采工艺。3305 综采工作面设计走向长度1 350 m、斜长294 m，采用U 型通风方式，其中33051 巷为进风巷、33052 巷为回风巷，采面回采巷道均为矩形巷道，净宽5.0 m、净高4.5 m。根据邻近采面（3305 综采工作面）开采以及本采面回采巷道掘进揭露显示，在3305综采工作面切眼前方120～320 m 范围内受区域地质构造影响，3#煤层顶板为复合顶板，具体采面布置及复合顶板位置如图1 所示。

图1 采面布置及复合顶板位置示意图

3305 综采工作面切眼前方120～320 m 范围内3#煤层顶板上有厚度0.5～3 m、呈薄层状泥岩，泥岩上部为厚度0.2～0.4 m 的薄层状煤线。该区域复合顶板遇水容易膨胀，在采面回采巷道掘进期间不稳定，表现为顶板离层、掘进迎头顶板冒落等问题。同时邻近的3303 综采工作面在过复合顶板区域内时冒顶、煤壁片帮等问题表现突出，虽在采面内注入大量化学浆液提高了顶板强度及稳定性，但是采面回采也受注浆影响较为显著，同时化学注浆浆液成本较高。为此，文中提出在3305 综采工作面复合顶板区域，在回采巷道内向顶板及煤壁施工深部注浆钻孔，并注入超细水泥基注浆材料，以便实现复合顶板超前治理，降低采面回采期间煤壁片帮、漏顶影响并减少采面内化学浆液注入量。

2 深孔注浆技术方案

2.1 注浆钻孔布置参数

采面煤壁对顶板起到支撑作用，若仅加固顶板而忽略煤壁加固，当煤壁片帮后悬空顶板在上覆压力作用下仍容易出现冒落问题。3305 综采工作面回采的3#煤层整体强度偏低、煤体松软破碎，因此深孔注浆需同时对顶板及煤壁进行加固。依据3305 综采工作面现场情况，提出在回采巷道内布置两排注浆钻孔，上排注浆钻孔用以复合顶板加固、下排钻孔加固煤体中上部。

3305 综采工作面走向及倾向均为近水平布置，在33051 巷及33052 巷内布置的注浆钻孔参数一致，上下两排注浆钻孔均为“三花眼”形式，上排、下排钻孔开孔距巷道底板分别为3、2 m，仰角分别为6°、5°，孔深均为100 m，钻孔孔径均为94 mm，间距为10 m，具体钻孔布置情况如图2 所示。

注浆孔内采用Φ150 mm 钢管+Φ45 mmPVC 管组合方式，在孔口注浆管为长度16 m、Φ150 mm 钢管，内部为长度84 m、Φ45 mm 的PVC 管，PVC 管靠近孔底的20 m 范围内花管，便于注浆浆液扩散。注浆钻孔采用两堵一注封孔方式，封孔长度为16 m，具体钻孔封孔结构如图3 所示。在封孔段两端用宽度1 m棉纱封堵，中间通过铝塑管注入水泥浆。

图3 钻孔封孔结构

2.2 注浆材料及封孔方式

注浆材料选用超细水泥基注浆材料，材料细度超过1 500 目，注浆浆液水灰质量比控制在0.6∶1，并在浆液中加入一定量添加剂，使得初凝时间控制在40 min 左右，满足浆液搅拌、长距离泵送、缓慢扩散等需要。采用的超细水泥基注浆材料由于具备粒径小、超细等特点，浆液在注浆压力作用下可在较小的裂隙中长距离扩散，实现高效注浆。同时浆液胶结24 h 后抗压强度即可达到24 MPa 以上。

注浆时选用ZBYSB220/28-55 注浆泵，注浆流量为0～220 L/min，注浆压力在0～28 MPa 范围内可调整，配套采用QB300 型气动搅拌桶。深孔注浆钻孔注浆压力设计为15～20 MPa。

为减少钻孔浆液外溢量，在注浆加固段巷道表面喷射厚度超过100 mm、强度C25 混凝土。在注浆期间若出现漏浆时，可先暂停注入，采用棉纱封堵注浆裂隙。

3 现场应用效果分析

在33051 巷及3305 巷均布置41 个注浆钻孔，注浆量分别为300、344 t，单孔注浆量平均为7.3、8.4 t。3305 综采工作面推进至超前注浆加固区后，绝大部分区域煤壁平直、顶板结构完整，采面回采期间片帮共计发生25 次、未有冒顶出现，其中片帮最大深度、宽度分别为0.75、1.3 m，片帮基本不会给3305 综采工作面正常回采带来制约。3305 综采工作面仅局部顶板不稳定性区域布置化学注浆钻孔，共计消耗化学浆液680 桶，采面耗时42 d 通过复合顶板区域，推进速度保持4.8 m/d。

与工程条件相似的3303 综采工作面在复合顶板区域内回采时，采面片帮、冒顶次数超过100 次，采面内需频繁布置注浆钻孔对顶板进行加固，制约煤炭回采；在过复合顶板区域内时采面共计注入3 200 桶化学浆液，耗时65 d 通过，推进速度平均为3.1 m/d。

3305 综采工作面通过在回采巷道内布置注浆孔进行深孔注浆，实现了复合顶板及松软煤体超前加固，有效减少了采面内化学浆液注入量，并为采面安全高效回采创造良好条件。通过超前深孔注浆后，3305 综采工作面在复合顶板区域内回采时冒顶问题得以较好解决，虽然有局部片帮，但是片帮规模较小，不会制约采面正常回采。

4 结论

1）3305 综采工作面采用大采高开采工艺，一次开采高度大，回采期间采动压力明显，附近煤岩体采动影响大，采面回采期间容易出现片帮及冒顶问题，特别是在切眼前方120～320 m 范围内回采时，由于煤层顶板为复合顶板，导致片帮及冒顶问题更为突出，制约采面回采。邻近的综采工作面在过复合顶板区域时在采面内通过注入化学浆液方式加固复合顶板，存在注浆工程量大、成本高以及制约生产等问题。为此提出在3305 综采工作面回采巷道内布置深孔注浆钻孔对复合顶板及煤壁进行超前加固，降低注浆加固对采面生产影响。

2）在回采巷道内布置上、下两排注浆钻孔，实现复合顶板及3#煤层中上部煤壁加固，注浆浆液选用价格较低、安全以及可注性好的超细水泥基注浆材料，并对注浆工艺进行详细探讨。现场应用后，3305综采工作面在回采过复合顶板区域时顶板基本保持稳定，未出现有冒顶情况，同时煤壁片帮范围及影响较小，不会给采面回采带来影响。