大采高工作面防片帮机理及深孔注浆加固研究

赵玉亮

（山西晋煤集团古书院矿，山西 晋城 048000）

赵庄1307 工作面均为大采高工作面，由于采高较大，且煤层顶板赋存一层较薄的夹矸泥岩，泥岩强度较低，支架支护时支撑力过大容易致泥岩垮落，严重时甚至发生冒顶事故。针对该情况，需进行片帮原因分析，并且找到相应的措施，为接下来的大采高工作面提供经验。

1 概况

1307 工作面开采3 号煤层，工作面埋深568.5m，煤厚5.4m，煤层均匀，厚度变化不大。工作面布置如图1 所示，13074 巷与13071 巷为进风巷，13072 巷为回风巷。由于该工作面与1306 工作面临近，地质条件极为相似，故而工作面发生片帮、冒顶等事故的风险较大，严重制约着工作面安全快速回采。

图1 工作面布置示意图

2 煤壁片帮原因分析

根据之前回采大采高1306 工作面的经验，经过总结分析，煤壁片帮有以下几个方面的原因：

（1）工作面采高较大

由于工作面采高大，推进速度快，在高强的开采强度下，工作面超前支承压力较大，致使处于应力增高区的煤体破碎。当工作面推进至破碎煤体位置时，煤壁极易在支架护帮板的挤压下进一步碎裂，导致大面积片帮冒顶。煤壁片帮概率和严重程度随采高的增大而增强。

（2）工作面受地质构造的影响

回采1307 工作面前，对工作面前方地质构造进行了三维地质勘探，结果表明：1307 工作面前方共有大小断层12 个，其中7 个断层即将在工作面回采过程中揭露。工作面过断层时，顶板错动较多，当煤层大于支架最大支护高度6.2m 时，支架无法提供强有力的支护阻力防止顶板下沉等。如果该断层影响区域较大，巷道顶板长时间无法得到有效的支撑，将造成极大的安全隐患，影响工作面的稳定。

（3）工作面顶板为复合顶板

1307 大采高工作面煤层上存在厚度为1.2m 的泥岩，泥岩的强度小，特别容易垮落，遇水风化。泥岩上有一层较薄的煤线，不同地方赋存情况不同，厚度不一致，但由于自身强度均较小，容易破碎，导致支架无法有效接顶，从而导致煤壁片帮及顶板冒顶。

3 煤体裂隙发育特征探测

为了解工作面煤体破碎程度，采用煤体注水的方法，探测工作面前方煤体的裂隙发育，通过注水速率以及注水量分析该区域裂隙的发育程度。

3.1 裂隙注水探测试验

注水试验在1307 工作面顺槽展开，在1307 工作面布置4 个直径为92mm 的钻孔，打钻深度为45m。首次注水在钻机每钻进5m 时停下，之后每钻进3m 进行该段注水测试，每段分为3 个小阶段，即每米一次，进行历时5min 时长的注水。注水时对孔口进行封堵，封孔压力约2 MPa，注水压力保证在0.5MPa 的稳定水压。将测试结果取平均值，测试结果以1 号孔为例，工作面距离与注水量关系特征如图2 所示。

图2 工作面与注水量关系特征

由图2 可知，注水量整体随着钻孔深度增加逐渐降低，表明距离工作面越远，煤体内部裂隙发育程度越低，煤体整体性较好。并且，从图中还可以看出，距离工作面6～10m 处的注水量最大，证明由于采高较大，工作面超前支承应力对煤体影响较大，煤体产生了很多节理等结构面，注水量31～34L/min。随后注水量缓慢降低，在距离工作面18m 后，注水量开始骤减，表明超前支承应力升高区影响范围约为18m。在钻孔深度为32m 左右注水时，注水量达到最低约7L/min，且之后的注水量保持稳定，在7～9L/min 范围内波动，表明32m 之后即为原岩应力区域，煤体只有较少的裂隙发育。

根据距离工作面距离与注水量的关系，可以将工作面前方破碎煤体进行划分。0～12m 裂隙发育程度最大，为裂隙发育区；12～32m 范围内，煤体裂隙发育程度高于原岩应力区煤体，故而划分为裂隙缓慢增长区。

3.2 测窗法观测裂隙试验

为了进一步探明工作面前方煤体内部裂隙发育程度和发育规律，工程实践中同时采取了煤壁测线法对煤体的裂隙发育程度展开监测。在13072 巷工作面前方60m 处布置，测线水平布置在巷道中部，长度约10m。观测与测线相交的裂隙的数目、裂隙的迹长及大致发育倾向。当工作面不断推进时，煤壁的裂隙发育程度会发生变化。如图3 所示为从距离工作面60m 推进至距离测点20m 时测点煤体的发育过程。测点起初距离工作面60m。

由图3 可知，工作面距离测点60m 时，测线范围内煤壁较为完整，只有少数纵向裂隙，未受到采动影响；距离工作面30m 时，测线范围内煤帮裂隙数量逐渐增加；距离工作面20m 时，测线范围内煤帮裂隙数目增长速度明显加快。根据对所有裂隙总量统计，煤壁裂隙发育主要以纵向劈裂型裂纹为主。

图3 测窗裂隙发展实测与素描图

随着工作面的回采，测窗内煤体的裂隙会持续扩张，最终相互贯通，形成较大、较深的裂隙。工作面前方20m 范围内，裂隙以大型裂隙为主，并且裂隙发育速率最快，短裂纹加速向长裂纹发展，并以纵向发育的裂纹为主，煤壁裂隙并逐渐形成网状裂隙组合。

4 深孔注浆方案及效果考察

4.1 深孔注浆方案

在大采高工作面顺槽中共施工钻孔34 个，钻孔孔径75mm，钻孔间距5m，最终钻孔施工深度基本在80～100m。钻孔布置情况如图4 所示。

图4 13071 巷试验钻孔布置图

钻孔分为三个区域，每个区域四个钻孔，间距5m，排距5m，平均距离工作面30m、40m、50m 范围。第一区域的钻孔，共计使用注浆材料14.5t，第二区域钻孔使用注浆材料12.08t，第三区域使用注浆材料7.4t。

综合分析后可知，距离工作30m 范围使用注浆量最大，说明该区域裂隙发育程度最高；随着距离工作面距离增大至40m，注浆量减少了16.69%，表明裂隙减小；增大至50m 时，注浆量仅为第一区域的51.03%，由于该区域处于原岩应力范围，故而裂隙较少。

由此可以看出，距离工作面距离越近，裂隙发育程度越高，注浆量也就越大。仅考虑注浆量的情况下，注浆位置越靠近工作面越好，但距离工作面越近煤体越破碎，钻孔无法正常施工，且存在漏浆现象，同时材料凝固时间较短。综合考虑以上因素，将工作面深孔注浆的合理时机和区域确定在超前工作面30～40m 范围内。

4.2 钻孔窥视结果

钻孔窥视能够较好地观察注浆后煤体内部情况，是检验注浆效果的有效手段。因此，1307 工作面深孔注浆完成后，选择一些注浆钻孔进行窥视，通过对不同深度（15m、20m、25m、30m）的钻孔内部孔壁完整性展开分析，对此次深孔注浆加固的效果进行考察。不同深度钻孔窥视图如图5 所示。

从钻孔窥视结果可以看出，距孔口15m 内由于裂隙最发育，故而浆液最多。随着深度增加，裂隙越来越少，煤体内部浆液注浆减小。注浆加固后，钻孔成孔效果良好，浆液完全填充在煤体中的裂隙中，并且将周围较破碎的煤体胶结在一起，使得煤体整体稳定性大幅提高。钻孔窥视表明，30m 范围内的深孔注浆有效加固了1307 大采高工作面极易冒顶、片帮区域，使煤体内部结构完整。

图5 注浆后钻孔窥视结果

5 结论

（1）大采高工作面往往面临严重的片帮问题，深孔注浆加固成为防止片帮的有效措施。

（2）通过工作面分段注水试验，探明工作面前方裂隙发育情况，将工作面前方破碎煤体划分为裂隙发育区（0～12m）和裂隙增生区（12～32m）。开展测窗法观测裂隙，发现工作面前方20m 范围内，裂隙发育速率最快，以纵向发育的裂纹为主，煤壁裂隙并逐渐形成网状裂隙组合。

（3）设计深孔注浆方案，开展工作面深孔注浆加固。钻孔窥视考察结果表明，注浆加固后煤体内部完整，注浆加固效果良好。