大采高工作面超前支承压力区深孔注浆防片帮技术

余孝民，王 凯

(1.晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西 晋城 048000；2.河南理工大学，河南 焦作 454000)

大采高采煤工艺具有回采率高、含矸率低、功效高、利于集中生产等优势，是我国厚煤层高效开采的主流方式[1，2]。但是工作面的片帮问题是大采高综采的突出问题，是限制大采高发挥其设备效能的主要因素。注浆加固技术是解决这一问题的有效手段，它能将原来裂隙发育的破碎煤岩体固结成为完整性较好的煤岩体，可有效地防止片帮冒顶事故的发生，现已广泛应用于治理煤壁片帮、冒顶问题。然而，目前多数的注浆工艺为浅孔工作面注浆，其存在以下弊端：①需要停机作业，对工作面生产影响较大，且要进入煤帮作业，存在安全隐患；②经常是将其作为一种应急措施，往往是工作面出现了大面积片帮，甚至冒顶时才采用，此时煤体松散，不仅浪费大量注浆材料，亦达不到预防作用；③注浆材料多为高分子化学材料，此类材料不仅价格昂贵，还存在产热量大、释放有毒有害气体等缺点。另一方面，大采高工作面超前支承压力大，导致工作面前方煤体裂隙发育，是造成煤壁片帮，进而引发冒顶的主要原因。但同时，裂隙发育又为注浆提供了契机，为此可以抓住这一特点，设计从工作面两巷往煤体布置深孔的注浆方案，不仅可以避免浅孔注浆的各种弊端，还能起到对煤壁片帮的预防性作用。

1 采动影响下煤体超前支承压力分布规律

裂隙是浆液在煤岩体中流动的主要通道，煤岩体的裂隙分布及发育程度对注浆过程及效果有着非常显著的影响，因此很有必要对工作面前方裂隙的发育及分布规律进行研究，以期找到合理的注浆钻孔布置方式以及合理的注浆时机。

采用FLAC3D数值模拟软件对赵庄矿1307工作面超前支承压力进行数值模拟分析，以实际条件为依据建立模型并施加边界条件。模型稳定后对煤层进行开挖，开挖长度分为40m、60m、80m、100m和120m，研究超前支承压力的分布规律及特征。超前支承压力的分布曲线如图1所示。

图1 不同开挖长度超前支承压力分布曲线

由图1可以看出，随着工作面的不断开挖，应力峰值逐渐增大，峰值位置也在逐渐前移，当推进度为100m时，应力峰值稳定至40.2MPa，峰值位置稳定在工作面前方8.5m左右，超前支承压力的影响范围为工作面前方50m。

2 采动影响下煤体变形破坏规律模拟研究

受采动影响，超前支承压力影响范围内，距工作面不同距离的煤体所受应力状态不同，为尽可能的还原煤体所受采动影响的整个过程，特进行此次试验。试验分为单轴压缩试验和三轴卸围压试验，试验所用煤样采自晋煤集团赵庄矿3#煤，在工作面选取比较完整，无明显裂隙的大块煤。按照有关规程要求[3]，沿垂直节理方向对煤块进行加工，加工尺寸为Φ50mm×100mm的标准试样，用于做单轴压缩试验3个，用于做应力集中系数为2的三轴卸围压试验3个，用于做应力集中系数为2.5的三轴卸围压试验3个，共计9个试样。

随后在RMT-150B岩石力学试验系统和GCTS/RTX-3000岩石力学综合测试系统上进行单轴压缩试验和三轴卸围压试验，对其变形和强度进行分析，并研究其在不同应力水平下裂隙的发育规律，为实际中最佳注浆时机的选取提供理论依据。

2.1 单轴压缩试验

对编号A-1、A-2和A-3的煤样进行单轴压缩试验，在加载过程中，记录煤样A-1、A-2垂直加载方向的声速，对A-2同时监测声发射特征；记录煤样A-3平行于加载方向的声速。

2.1.1 煤样的声速特征

煤样A-1、A-2和A-3应力-应变曲线与波速-应变曲线如图2所示，煤样A-1、A-2测定的均为垂直加载方向的纵波波速，煤样A-3测定的为平行加载方向的纵波波速与横波波速。

图2 煤样在加载过程中的声速特征曲线

在加载过程中，煤样A-1与A-2的声速均表现出整体下降的趋势。当煤样所受载荷达到应力峰值的85%左右时，声速迅速下降，说明此时煤样内部裂隙开始增生、发展、贯通；应力峰值之后，声速降低至最低值直至采集不到，说明此时煤样已经发生破坏，出现宏观破裂面，阻碍了声波的传播；煤样A-3声速整体保持平稳，并呈现小幅上升的走势。这是因为煤样由于受载而产生的纵向裂隙对纵向的声波起不到阻碍作用，与此同时，随着轴向荷载的增加，存在于煤样内部的微观裂隙不断闭合，导致波速的增加[4]。

2.1.2 煤样的形变特征

煤样A-1、A-2和A-3的应力-体积应变曲线如图3所示。与Alkan[5]研究的规律相似，煤样应力-体积应变全过程曲线大体可分为4个阶段：压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。

图3 煤样应力-体积应变曲线

煤样内部裂隙在扩容起始点处开始增生[6，7]。煤样A-1的扩容起始点处对应的应力大小为37.3MPa，为峰值强度的79%；煤样A-2的扩容起始点处对应的应力大小为22.2MPa，为峰值强度的81%；煤样A-3的扩容起始点对应的应力大小为36.5MPa，为峰值强度的76%。可以看出，所测试煤样所受载荷为峰值应力的80%左右时，煤样出现扩容现象，内部裂隙开始发育。

2.2 三轴卸围压试验

根据前面对赵庄矿1307工作面超前支承压力的研究，得到工作面前方煤体垂直应力和水平应力的分布曲线[8，9]，如图4所示。由图4可以看出，垂直应力出现了明显的应力集中，水平应力方向应力逐渐降低至0。垂向应力峰值处的垂向应力集中系数为2.5，水平应力集中系数为0.45；缓慢增压区与急速增压区分界处的垂向应力集中系数为1.45，水平应力集中系数为0.68。

图4 工作面前方煤体应力环境

根据图4中的应力变化，拟定三轴试验加载路径，如图5所示。整个过程分三段加载，即：首先以轴压和围压的相对比值为1的加载方式，加载至γH；其次，以升高轴压和降低围压的加载方式，由原始应力状态至图5中的B点；最后，以升高轴压和降低围压的加载方式，直至煤样发生破坏。

图5 加卸载路径示意图

煤样B-1、B-2和B-3在三轴卸围压过程中的声发射特征检测结果如图6所示[10]。

图6 煤样在三轴卸围压过程中声发射特征

在累计声发射幅度曲线上找出急剧上升点，经过该点向上做一条垂线，与应力-应变曲线相交于一点，煤样B-1该点处的应力值大小为33MPa，为应力峰值的77.0%；煤样B-2的该点处的应力值大小为35MPa，为应力峰值的78.7%；煤样B-3该点处的应力值大小为35MPa，为应力峰值的81.8%。以煤样B-1的声发射累计幅度曲线为例，如图7所示。由以上数据可知，当煤样所受应力达到峰值应力的80%左右时，声发射事件开始活跃，意味着裂隙开始增生发育。

图7 煤样B-1声发射累计幅度曲线

2.3 实验分析

由试验结果可知，煤样在达到应力峰值强度的80%左右时，波速开始降低，出现扩容现象，并且声发射事件开始增加，因此可以认为此时的煤样内部裂隙开始发育。对应于实际中的煤体，超前支承压力应力峰值的80%处的裂隙开始发育，具有可注性，根据超前支承压力的分布规律，应力峰值的80%处距工作面距离为23m，因此注浆时机可选择在超前工作面23m处左右的位置。

3 现场工业性试验及效果考察

赵庄矿1307工作面煤层平均厚度为5.36m，采用大采高方式开采。工作面在回采过程中，煤层厚度大于5.5m时需留底煤沿顶板回采，控制最大采高不得超过5.5m。赵庄煤业主采3#煤层，1307工作面上方赋存一层极不稳定的泥岩(夹矸)，其上赋存一层煤线，厚度也不均匀，复合煤层顶板具有遇水膨胀风化等特性，在13071巷及13072巷掘进过程中即出现了较为严重的冒顶现象，形成高冒区。如不采取措施，工作面推至该区域时将出现大量的片帮、漏顶现象。

3.1 钻孔布置方式

结合现场实际工程情况可以发现，在13071巷及13072巷掘进过程中即出现了较为严重的冒顶现象，形成高冒区，13072巷中高冒区起始位置距工作面切眼约1437m，13071巷中高冒区起始位置距工作面切眼约1540m。1307工作面两巷内超前深孔注浆范围如图8所示。

图8 1307工作面两巷内超前深孔注浆范围图

分别在13071巷及13072巷中沿巷道走向各进行60m范围的深孔注浆加固工程，在13071巷中布置钻孔的起始位置为距切眼1640m，在13072巷中布置钻孔的起始位置为距切眼1520m，各巷中均布置两排钻孔，钻孔深度约115m，钻孔孔径75mm，每排钻孔孔间间距10m，钻孔覆盖范围均为60m，钻孔“三花眼”布置，钻孔尽量与煤壁垂直13071巷及13072巷中钻孔布置平面图如图9所示。

图9 工作面两巷中钻孔布置平面图

13072巷钻孔布置与13071巷相同，以13071巷道为例，13071巷钻孔布置方案中下排钻孔开孔位置距巷道底板1m，上排钻孔开孔位置距巷道底板3m；钻孔施工需架设平台，平台长度15m，控制两个钻孔范围。13071巷钻孔布置示意图如图10所示。

图10 13071巷钻孔布置示意图

3.2 注浆时机

煤体的可注性严重影响着注浆加固效果。若钻孔周围煤体未受到采动影响，裂隙不发育，空隙连通性差，则注浆会十分困难，即使通过加大泵的注浆压力能够将浆液注进煤体，其注浆形式是劈裂注浆，注浆后的煤体强度未必有原始煤体强度高，工作面推来之后还要经历强烈的采动影响，使得加固后的煤体再次发生破坏，从而使注浆失效，起不到预防片帮的作用；而裂隙如果过度发育，煤体基本丧失承载能力，则又存在漏浆严重的问题，对材料性能要求较高，也达不到理想的注浆效果。根据第2节的研究成果，确定合理的注浆时机为注浆钻孔距工作面20～30m处。

3.3 注浆效果考察

为了能够清楚地了解注浆加固后浆液与煤岩体的胶结情况，在13072巷进行了钻孔窥视考察研究，窥视钻孔布置在距6#、12#注浆孔3m位置处，钻孔直径75mm，深度40m。为了能够清楚地了解注浆加固后浆液与煤岩体的胶结情况，窥视结果如图11所示。

图11 注浆后钻孔窥视结果

注浆后的钻孔窥视结果可以看出，注浆后钻孔成孔较好，但距孔口15m范围内浆液量相对较少，其原因是由于注浆施工过程中的封孔长度最短为16m，从20m位置处、25m位置处、30m位置处的钻孔窥视效果图可以看出，钻孔孔壁完整，可以明显观察到浆液完全填满煤岩体之间的裂隙，将破碎煤岩体粘结到一起，使得煤岩体整体稳定性大大提高，煤岩体内部结构完整、紧密，注浆加固效。

4 结 论

1)总结现阶段大采高工作面防片帮研究现状，利用数值模拟，对采动影响下煤体超前支承压力分布规律进行研究，研究表明1307工作面应力峰值稳定至40.2MPa，峰值位置稳定在工作面前方8.5m左右，超前支承压力的影响范围为工作面前方50m。

2)设计单轴和三轴卸压实验，研究采动影响下煤体变形破坏规律，实验分析可知，煤样在达到应力峰值强度的80%左右时，声速骤降，应力-体应变曲线出现扩容点，并且声发射累计幅度曲线出现急剧上升点，可以认为在煤样在达到应力峰值强度的80%左右时是裂隙发育的起始点。

3)对注浆钻孔布置、注浆时机等方面的问题进行分析，形成科学可行的方案；施工完成之后，通过钻孔窥视检验注浆效果，结果显示注浆效果显著。