寺河矿大采高综采面末采阶段水泥注浆控制片帮冒顶技术

孙志勇，郭相平，颜立新

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013）

寺河煤矿是晋煤集团的主力矿井，位于沁水煤田东南边缘。现工作面主采3＃煤层，埋深365～491m，煤层平均厚度为6.25m，煤层倾角为1～11°，平均5°。煤体黑色，煤质疏松，多呈条状及块状，煤层硬度系数f＝2～3，上部煤质较硬。煤体上方有一层厚0.2m的伪顶，为炭质泥岩，随回采脱落；直接顶为砂质泥岩，灰黑色，层理发育，不坚硬，含丰富的植物化石，层厚2.4m；直接底为砂质泥岩，灰黑色，薄层状，有斜节理，含云母碎片，中夹薄层细砂岩，层厚4.11m。

工作面采用走向长壁一次采全高采煤法，采高为6.2m，后退式开采，顶板控制为自然垮落法。4302回采工作面沿煤层走向布置，长度2040m，宽度300m。该工作面煤层超前支承压力显著影响区为20～35m，平均28m，支承压力峰值点位置在煤壁前方12.3m左右，煤体卸压带宽度为8～14m，平均11m，应力集中系数为3.3。随着采高和推进速度的加大，工作面采场及两侧巷道矿山压力显现加剧，工作面端头、端尾“三角区”及煤壁易发生片帮冒顶事故，这种现象在工作面末采阶段（工作面沿推进方向剩余150m至与回撤通道贯通）更为普遍。

工作面片帮冒顶事故不仅损坏机械设备，降低采煤机开机率，增加工人的劳动强度，同时给采煤工作面及巷道的安全生产带来严重隐患。为防止把前方煤体推倒，在工作面与回撤通道采透之前（两者之间煤柱剩余10m左右），工作面液压支架前移时护帮板不再伸出。在这种情况下如何减少或杜绝片帮和冒顶事故的发生，保证工作面的顺利推进，是寺河矿大采高工作面一个亟待解决的技术难题。

1 工作面围岩结构分析

为准确了解工作面围岩的破坏情况，在4302工作面前方顶板和侧帮煤壁布置窥视测站，进行了围岩结构钻孔观测，观测结果如图1所示。

从图1（a）中可以看出，工作面侧帮煤体表面至深度1m范围之间煤体极其松散破碎；2.1和6.8m处煤体完整性差，钻孔孔壁剥落出现空洞；3.0～4.0m之间裂隙非常发育。从图1（b）中可以看出，顶板开孔至0.6m处煤体松散破碎，裂隙发育；1.8～2.3m之间微裂隙发育，2.4m为煤岩分界面，煤体上方有0.2m后的炭质泥岩；岩层之间有明显的分界面且胶结处岩石比较破碎；3.6～3.8m之间存在三组横向裂隙，4.7m、5.7m处存在横向裂隙，以后段较完整。

窥视结果表明：工作面围岩基本处于破碎状态，特别是钻孔窥视范围内帮孔，破碎、裂隙非常发育，破坏范围在6m以上；顶孔窥视除发现离层外，多处发现较大的横向裂隙。总体上看，4302工作面煤体松散破碎、裂隙发育、孔隙率高、完整性差，工作面回采造成的剧烈矿压显现，将不可避免的对围岩产生巨大影响。

图1 围岩结构观测图／m

2 寺河矿大采高综采面片帮冒顶原因分析

通过理论分析，寺河煤矿大采高工作面片帮冒顶的原因主要有以下三点。

1）围岩完整性差。4302工作面煤体节理裂隙发育，煤体强度低、孔隙率高，加上顶板岩体破碎、瓦斯抽放孔密集、地质破碎带或煤岩松软带多等开采条件，造成工作面极易发生大面积片帮和端面冒顶。

2）工作面采高大。一般来说，超前支承压力和煤壁塑性区宽度随着采高的增大而增加，4302工作面采高达6.2m，大大增加了受强烈支承压力作用过的破碎煤体发生片帮冒顶的几率。

3）停采时间长。顶板的下沉量与时间成正比，停采时间越长，顶煤的下沉量越大，对煤壁及端面区顶煤的压缩破坏越严重。寺河煤矿是国内乃至世界罕见的高瓦斯矿井，4302工作面每采几个循环就要停下来进行瓦斯抽放工作，导致工作面推推停停，这也是导致煤壁片帮的一个主要原因。

3 水泥注浆加固控制片帮冒顶技术

根据工作面开采情况，为减少片帮冒顶对生产造成的安全隐患，对其进行注浆加固。采用水泥浆液充填工作面煤体内部的裂隙，依靠自身固化后具有的较高抗压强度，抑制裂隙的持续扩展，最大限度的保持煤体完整性，提高煤体的自身承载能力［9－10］，在工作面末采阶段能够保持围岩的稳定。

3.1 加固方案

提出逐步实施的水泥注浆加固控制片帮冒顶技术方案：本方案只对巷帮进行注浆加固，先施工巷帮6m孔进行围岩浅部堵漏注浆加固，见图2（a），然后施工巷帮12m孔进行围岩深部高压注浆，见图2（b），从主撤通道两端向中间进行。深孔注浆必须在浅孔注浆完成区域进行，浅孔注浆24小时后，即可进行深孔注浆。主撤通道注浆钻孔布置位置见图3，注浆加固参数见表1。

表1 主撤通道注浆加固技术参数

图2 注浆钻孔布置图

3.2 加固材料与施工工艺

正常注浆使用525＃（42.5MPa）普通硅酸盐水泥配合XPM纳米灌注剂制备素水泥浆，XPM为水泥重量的10%，水泥浆的水灰比0.5∶1～1∶1，先稀后稠；大范围漏浆进行注浆堵漏时，压注水泥－水玻璃双液浆。用浓度为48－55Be'、模数 M＝2.8～3.2的水玻璃配合水泥浆制备双液浆，其中水灰比不变，水泥浆和水玻璃的体积比1∶0.5～1∶1。

水泥注浆加固施工工艺包括：打孔、封孔、注浆三道工序，注浆系统如图3所示。在需加固位置按设计打设注浆钻孔，并用水清洗钻孔；安装孔内射浆管、孔口注浆管和孔口截止阀；使用速凝水泥固定孔口注浆管并封孔，24h后连接注浆系统，制备水泥浆（双液浆），开泵注浆；注浆至终压稳定10min后停泵，拆除注浆系统，移至下一个注浆孔，单孔注浆结束。

图3 水泥注浆加固施工系统图

3.3 施工技术要求

1）钻孔和注浆采用隔排跳跃施工，由帮底部向上分序施工，兼顾相邻两排注浆位置趋于同一高度，不得遗漏钻孔。

2）注浆过程中及时处理漏浆点。除大范围连片漏浆外，应采用人工糊缝处理漏浆点，并压注单液水泥浆。大范围漏浆区域注双液浆堵漏时，采取单、双液浆交替结合及间歇注浆的方法进行，每次注双液浆后及时注入部分素水泥浆，确保漏浆点被有效封堵前漏浆通道畅通，并尽可能扩大单孔封堵漏浆点范围，提高钻孔利用率。

3）注浆过程发生相邻钻孔串浆时，必须对串浆的钻孔进行交替注浆或分开管路同时注浆，禁止利用一个钻孔对两个或更多串浆钻孔同时灌注，分别记录连通钻孔注浆情况。

4）每孔注浆作业应连续进行，中途不宜中断。尽量避免因机械故障、停电、停水、器材故障等问题造成的注浆中断。因大范围漏浆或浆液消耗量过大而中断注浆时，必须压水清洗钻孔，间隔12h后复注。

4 效果分析

采用水泥注浆后，4302工作面两顺槽的煤岩体得到了加固，水泥浆液充填了破碎煤体中存在的裂隙，但是水泥浆液的凝固需要一段时间，而且有破碎煤体的胶结成为完整体也需要时间。通过一段时间，浆液得到了固化后，并和煤岩体胶结在一体，形成了完整的整体，进而改变原有煤岩体的整体性和完整性，提高了煤岩体的自身承载能力。

回采过程中重点对工作面顺槽两帮移近量进行了观测。受采动影响，超前工作面20～40m范围内巷道两帮收敛量明显增大，加固段两帮移近量560～1020mm，呈整体收缩而未出现片帮。进入末采阶段，工作面侧煤壁基本保持稳定，基本上有效避免了大面积片帮冒顶，仅为2～3架宽度的小范围片帮，无冒顶显现，基本不影响割煤。

工作面与通道贯通后，工作面侧帮锚杆托板变形、失效、脱落，原有的支护形式基本上失去了对煤帮的支护作用，靠采空区一侧主撤通道的顶板下沉量要比靠煤柱侧大得多，顶板明显地向采空区方向倾斜。由于顶板压力大，造成煤帮外臌，最大外臌量达到700mm，局部煤壁发生片帮，深度相对较小，一般100～200mm，片帮块度也较小。试验情况表明，通过水泥注浆加固后的破碎煤体强度得到明显提高，不发生碎裂，具有较强的整体性，在剧烈的超前支承压力等外载作用下裂隙中固化的水泥材料被压缩，巷道围岩发生整体变形。

5 结论

1）通过水泥注浆加固，4302工作面末采阶段煤壁整体性、强度等都有明显提高。加固区割煤后煤壁齐整，水泥渗入破碎体裂隙，形成了完整的整体结构，安全性大大提高。

2）通过注浆维护，末采期间整个工作面基本稳定，基本上有效避免了大面积片帮冒顶，仅为2～3架宽度的小范围片帮，没有冒顶现象发生，基本不影响割煤。

3）结合水泥注浆理论及工程经验，合理确定注浆加固方案、施工工艺及技术参数，为今后类似困难条件下频繁片冒的大采高工作面的开采积累了经验。

4）通过对易发生片帮冒顶的工作面端头、端尾“三角区”及煤壁进行水泥注浆加固，控制了裂隙和破坏区的持续扩展，简化了煤壁和顶板管理工序，提高了工作面的推进速度，为实现高产高效创造了有利条件。

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