大采高工作面超前深孔注浆应用研究

段鹏坤

(山西晋煤集团 赵庄煤业有限责任公司， 山西 晋城 048000)

大采高一次采全高技术具有回采率高、含矸率低、利于集中生产等优势，已成为我国厚煤层高效开采的主流方式。随着采高的增加，煤壁片帮问题逐渐突出，成为限制发挥大采高优势的主要难题[1-2]. 注浆加固可以改善裂隙发育煤壁的整体性，有效地控制煤壁片帮，已经得到了广泛的应用。国内外学者针对煤壁注浆加固研究取得了一定的研究成果，王江峰等[3]采用超细水泥在赵庄某工作面回撤通道开展注浆加固试验，片帮得到了良好控制；杨进鹏[4]针对某矿大采高综采面仰斜推进煤壁片帮现象，在工作面煤壁布置深度为4.5 m的注浆孔，配合锚杆进行片帮治理；成辰欣等[5]针对大倾角仰采工作面片帮问题，采用高分子化学注浆材料，在工作面布置3 m深的钻孔对煤体和顶板进行加固，有效控制了煤壁的片帮。上述研究工艺均为工作面的浅孔工艺，需要工作面停产施工，有较大安全隐患；化学浆温度高、价格贵，会产生有毒气体；同时该工作常作为一种应急手段，不能起到预防的作用。通过研究大采高工作面超前支承应力的分布特征，研发了一种深孔注浆材料，配合相应的深孔注浆工艺，提前改善煤壁裂隙发育情况，以减少工作面片帮问题。

1 工程概况

赵庄矿1307工作面主采3#煤层，煤层平均厚度为5.36 m，煤层倾角为0°～5°，平均3°，埋藏深度为463.9～673.9 m. 采用大采高采煤技术，片帮严重。

2 采动影响下煤体变形破坏规律模拟研究

煤体裂隙是浆液在煤岩体中流动的主要通道，对注浆效果有着显著的影响，因此有必要对工作面前方裂隙的发育及分布规律进行研究，找到合理的注浆钻孔布置方式以及注浆时机。

采用FLAC3D数值模拟软件对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。为了避免受到模拟软件对单元数的限制，同时提高运算速度，可将模型上部岩层简化为均布载荷施加在模型的上部边界。

1) 模型建立。

依据赵庄矿1307工作面地质条件创建模型，坐标原点布置在煤层底板，以煤层走向为x轴方向，以煤层倾向为y轴方向，岩层的垂直方向为z方向。

煤层上覆岩层取6层岩石，共计23 m，煤层厚度为5 m，底部取一层岩石，厚度为14 m. 整体模型是尺寸为x 320 m×y 1 m×z 42 m的平面应变模型。

2) 物理力学参数。

将煤体以及各个岩层视为弹塑性体，当岩体受到的应力小于自身屈服应力时，各岩层属于弹性变形；当所受应力超过屈服应力时，各岩层进入塑性变形。模型采用莫尔-库仑屈服准则进行求解，进行数值解算时所用到的煤岩体的力学参数见表1.

表1 岩层物理力学参数

3) 边界条件。

模型的前后左右4个面施加水平方向的约束，即水平位移为零，允许边界结点沿垂直方向运动；模型下边界约束垂直位移。根据模型埋深，原岩自重应力作用在上部边界。在静水平条件下，可认为作用在岩层上的水平应力和垂向应力相等。在前后左右4个边界，沿z轴方向，初始应力按梯度分布。

模型初始应力平衡后，对煤层进行开挖，开挖长度分为40 m、60 m、80 m、100 m和120 m，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见图1.

图1 超前支承压力曲线图

由图1可知，随着工作面的推进，超前支撑应力峰值逐渐增大，应变峰值位置逐渐前移，当推进度为100 m时，应力峰值稳定至40.2 MPa，峰值位置稳定在工作面前方8.5 m左右，超前支承压力的影响范围为工作面前方50 m.

3 现场工业性试验及效果考察

对采动影响下煤体变形破坏规律的研究，可以得出超前支承应力的分布规律，了解煤体在距工作面不同位置时所处的应力环境。据此，结合工作面的实际需求，确定注浆位置、注浆时机以及注浆范围。

3.1 钻孔布置方式

结合现场实际工程情况可以发现，1307工作面上方赋存一层极不稳定的泥岩(夹矸)，泥岩上又赋存一层煤线，工作面局部需要仰采通过，且复合煤层顶板遇水易膨胀风化，顶板管理难度极大。在13071巷及13072巷掘进过程中即出现了较为严重的片帮冒顶现象。13072巷中高冒区起始位置距工作面切眼约1 437 m，13071巷中高冒区起始位置距工作面切眼约1 540 m.

分别在13071巷及13072巷中沿巷道走向各进行60 m范围的深孔注浆加固，见图2. 在13071巷中布置钻孔的起始位置为距切眼1 640 m，在13072巷中布置钻孔的起始位置为距切眼1 520 m，两条巷道中均布置两排钻孔，孔深均约115 m，钻孔孔径75 mm，每排钻孔间距10 m，钻孔覆盖范围均为60 m，钻孔“三花眼”布置，13071巷及13072巷中钻孔布置平面图见图3.

图2 1307工作面两顺槽内超前深孔注浆范围示意图

图3 两顺槽中钻孔布置平面图

对13071巷通进行钻孔布置，13072和13071两条巷通钻孔布置参数一致。下排钻孔开孔位置距巷道底板1 m，孔间距5 m，上排钻孔开孔位置距巷道底板3 m，孔间距10 m. 13071巷钻孔布置示意图见图4.

图4 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。若注浆范围内的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，即使通过加大注浆压力能够将浆液注进煤体，以劈裂注浆形式注浆，也可能破坏煤体现有完整性，注浆后的煤体强度未必有原始煤体强度高，工作面推来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，使注浆失效，不能有效预防片帮；如果裂隙过度发育，煤体基本丧失承载能力，则造成严重漏浆，也达不到理想的注浆效果。根据数值模拟结果可知，确定合理的注浆时机为注浆钻孔距工作面20～30 m处。

3.3 注浆材料

针对深孔注浆特点，对材料性能要求如下：

1) 材料超细，以提升浆液流动性，提高强度。

2) 一定时间内较好的流动性，以满足浆液远距离输送、深孔内充分扩散的需求。

3) 强度快速增长，因大采高工作面推进速度快，要求注浆后立刻见效。

4) 强度高。材料固结后强度越高，加固效果越好。

5) 一定的黏结性能可以保持结构完整性。

根据对材料的要求，研发了一种高渗、高强无机注浆材料，以超细硅酸盐水泥为主要成分。通过比表面积测定仪测得该注浆材料的比表面积为815 m2/kg；通过对材料黏度和流动度的测定，发现加水搅拌后30 min内，黏度小，流动大；对材料的凝结时间进行测试，发现其初凝时间为2.5 h，终凝时间为8 h；对材料进行强度测试，强度增长特征见图5，发现1 d、3 d和7 d的强度分别为19 MPa、28 MPa和32 MPa. 可见，该新型无机注浆材料能够满足深孔注浆的要求。

图5 材料强度增长特征曲线图

3.4 注浆设备及系统

深孔注浆泵使用的是镇江长城注浆设备有限公司生产的型号为ZBYSB190/32-55的液压注浆泵，注浆压力0～32 MPa，最大流量190 L/min，注浆系统见图6. 系统由两个气动搅拌桶QB260，1个盛浆桶，1台液压注浆泵以及相应的管路和混合器组成。搅拌桶及盛浆桶可以采用铁桶加工，两个搅拌桶交替向盛浆桶内放浆。

图6 注浆系统示意图

3.5 注浆效果

为了观察注浆加固后浆液与煤岩体的胶结情况，在13072巷注浆区域进行了钻孔窥视，窥视结果见图7.

由图7可以看出，注浆后钻孔成孔效果较好，煤岩体内部结构完整、紧密，注浆加固效果良好。

图7 注浆后钻孔窥视结果图

4 结 论

1) 根据工作面实际地质情况，建立数值模型，分析可知，1307工作面超前支承压力的应力峰值位于工作面前方8.5 m左右的位置，影响范围为工作面前方50 m左右。

2) 根据深孔注浆要求对材料的细度、黏度、流动度、凝结时间、强度等进行研究，研发了一种性能满足深孔注浆的注浆材料。

3) 通过设计合理的注浆钻孔布置、注浆时机、注浆设备及系统，形成科学可行的方案。施工完成后，进行了钻孔窥视，结果显示，注浆效果良好。