赵庄矿大采高工作面超前深孔注浆加固技术

刘 洋

(晋城煤业集团 赵庄煤业，山西 晋城 048006)

赵庄煤业主采3#煤层，采用大采高采煤技术，煤层上赋存一层极不稳定的泥岩(夹矸)，由于复合煤层顶板的存在，造成该煤层顶板具有遇水膨胀、风化等特性，使得工作面在回采过程中面临大面积片帮、冒顶等事故，影响工作面正常回采[1]. 当工作面推进过程中遇到构造区时，工作面液压支架很难有效支撑顶板，顶板、煤帮在长时间缺少支护的条件下极易造成冒顶事故[2-3]. 在实际生产过程中，为避免大面积冒顶、片帮事故，工作面常采用单体支柱配合板梁做临时支护，但该方法需要人工进入煤壁作业，需要人工多、工作量大，严重威胁工人的人身安全。因此，为防止工作面发生冒顶、片帮事故，解决工作面难以安全高效通过构造区等问题，以赵庄矿1307大采高工作面为工程背景，对大采高工作面构造区进行超前深孔注浆加固技术研究。

1 工程概况

赵庄矿1307大采高综采工作面位于一盘区，开采3#煤层，煤层厚度为4.60～6.10 m，平均煤厚5.36 m，煤层倾角为0°～5°，平均3°，煤层上部有夹矸，厚度1.5～3.0 m. 工作面为一进一回通风方式，其中，13071巷为进风巷、运煤巷，13072巷为回风巷、运料巷，工作面东侧为第二回风巷(已掘)，北侧为掘进未回采的1308工作面，南侧为回采完毕的1306工作面。工作面具体布置见图1.

图1 工作面布置图

2 深孔注浆加固机理分析

2.1 大采高工作面片帮冒顶机理

在工作面推进过程中，顶板压力在不断的变化、重新分布。工作面顶板岩层呈现出“弯曲下沉—悬臂—垮落”的周期来压循环过程，工作面支架和前方煤体承担着大部分上覆岩层自重。工作面前方煤体在超前支承压力的作用下产生变形，同时受顶板变形、回转下沉的挤压进一步发生松动变形，甚至发生破坏[4]. 因此，在工作面揭露这部分煤体时，特别是支护不及时、采动影响较大时，便会造成煤壁大块煤体脱落的片帮现象，同时还会伴随顶板垮落的冒顶现象。尤其当工作面前方存在构造区时，便会造成大面积片帮、冒顶事故。

2.2 注浆加固机理及注浆时机选取

随着注浆加固材料的多元化、注浆技术的不断进步，煤岩体注浆加固已成为巷道围岩控制、工作面片帮防治的重要手段。其注浆加固机理主要体现在：提高破碎煤岩体弱面的黏聚力和内摩擦角，增大煤岩体间的位移阻力；浆液凝固后使得原本破碎的煤岩体重新胶结，再次形成了具有一定承载能力的承载结构；注浆加固后，封闭了破碎煤岩体的裂隙，防止地下水、空气等的进入，保证煤岩体不受水气因素的侵蚀、风化影响。

工作面超前支承压力和采动的影响，使得煤岩体裂隙发育、孔隙率增加，这为注浆材料浆液的填充提供了通道，为注浆加固提高破碎岩体的强度提供可能。反之，如果煤岩体裂隙不发育、孔隙率过小，浆液无法扩散，将会造成注浆加固工程的失败。因此，在实施注浆加固时，注浆时机的选取尤为重要。

注浆时机选取应根据超前支承压力分布特征、裂隙发育特征以及可注性分析确定。赵庄矿1307工作面超前支承压力的影响范围约为工作面前方55 m，剧烈影响范围约为工作面前方20 m，峰值位置约为工作面前方8 m处，见图2.

图2 1307大采高工作面超前支承压力分区特征图

超前支承压力区按照应力值大小，可以分为4个区域，各区域裂隙发育情况及煤体可注性分析见表1.

表1 工作面超前区域裂隙发育及煤体可注性分析表

由表1可以看出，工作面前方20 m以内容易从工作面漏浆；工作面前方55 m以外裂隙不发育，可注性极差，均不适宜注浆。工作面前方20～55 m较为适合，在超前支撑压力作用下裂隙较为发育，浆液扩散性较好，此时注浆可以明显提高注浆效果。由于裂隙不断发育，因此在此范围内注浆越晚越好，最佳注浆时机确定为工作面前方20～40 m.

3 注浆方案设计

3.1 钻孔设计及参数

在13071巷、13072巷中沿巷道走向各进行60 m范围的深孔注浆加固，在13071巷中布置钻孔的起始位置为距工作面320 m，在13072巷中布置钻孔的起始位置为距工作面200 m，钻孔提前布置，注浆随工作面推进，到达最佳注浆时机时再进行注浆。各巷中均布置两排钻孔，钻孔深度约115 m，钻孔孔径75 mm，每排钻孔空间间距10 m，钻孔覆盖范围均为60 m，钻孔“三花眼”布置，下排钻孔开孔位置距巷道底板2.5 m，钻孔仰角1°，上排钻孔开孔位置距巷道底板5.5 m，钻孔仰角2°，钻孔施工需架设平台。具体钻孔布置示意图见图3，图4.

图3 钻孔布置剖面图

图4 钻孔布置平面图

3.2 注浆加固材料

深孔注浆材料为晋煤技术研究院研发的联邦加固I号，该材料为单液注浆材料，水灰比为0.6，材料流动性好，能够满足深孔较长时间扩散；细度高，在细微裂隙中运动不会因物料颗粒大而出现水、料分离现象；材料扩散范围大，浆液渗透半径达5～8 m，能确保工程质量；材料强度高、增长快，1 d抗压强度19 MPa，3 d抗压强度28 MPa，7 d抗压强度32 MPa.

深孔注浆的封孔材料选用联邦加固Ⅰ号(双液)材料，是一种新型双液无机注浆材料。该封孔材料具备快凝、早强、高渗透性、结石率高等特性。两种浆液在混合前，6 h内浆液不凝固、不泌水、不沉淀；两种浆液混合后，0～5 min失去流动性，5～15 min完全固化，1 h煤体固结抗压强度5.2～5.8 MPa，满足深孔注浆加固工程中的封孔需求。

3.3 注浆设备

注浆系统由两个气动搅拌桶QB260，1个盛浆桶，1台ZBYSB190/32-55型的双液液压注浆泵以及相应的管路和混合器组成。两个搅拌桶预制浆液后交替向盛浆桶内放浆，保证浆液充足，之后浆液由注浆泵送至注浆区域。深孔封孔时将单液注浆材料换为双液封孔材料即可。深孔的注浆压力一般情况下为20～25 MPa，围岩破碎，漏浆严重时可适当减低注浆压力，可调整为15～20 MPa. 深孔的注浆压力一般根据注浆速率调整泵压。注浆设备及流程见图5.

图5 注浆设备流程图

3.4 工程效果检验

3.4.1注浆量

13071巷共实施13个深孔，钻孔进尺1 495 m，消耗注浆材料250 t，平均单孔注浆量19.2 t，最大单孔注浆量30 t.

13072巷共实施13个深孔，钻孔进尺1 495 m，消耗注浆材料225 t，平均单孔注浆量17.3 t，最大单孔注浆量25 t.

3.4.2效果考察

1) 注浆完毕后，开始回采1307工作面，大部分区域煤壁平直、顶板完好，工作面经过60 m注浆区域，共发生小范围片帮、漏顶12架次，最大片帮深度不超过1.5 m，最大漏顶高度不超过1 m，与类似条件未注浆的1306工作面对比，1306工作面通过60 m构造区，共发生片帮、漏顶44余次，事故率降低73%.

2) 1307工作面经过60 m注浆区域，共使用化学浆440桶，而类似条件未注浆的1306工作面推进相同长度，使用化学浆2 400桶，化学浆使用量减少82%.

3) 1307工作面经过60 m注浆区域用时12 d，而类似条件未注浆的1306工作面推进60 m用时30 d，推进速度提高60%.

4 结 论

1) 依据赵庄矿1307工作面超前支承压力分布特征以及煤体可注性，分析了合理注浆时机，认为工作面前方20～55 m为适合注浆的区域，进一步确定最佳注浆时机为工作面前方20～40 m.

2) 深孔注浆材料选用联邦加固I号(单液)材料，具备超细、高渗特性，能够在深孔中充分扩散；封孔材料选择联邦加固Ⅰ号(双液)材料，具备速凝、早强特性，满足快速封孔需要。

3) 将1307工作面实施60 m注浆加固区域，与类似条件未注浆的1306工作面推进60 m相比，片帮冒顶次数减少73%，化学浆使用减少82%，工作面推进速度提高60%，超前深孔注浆加固效果明显。