大采高综采工作面三角区注浆加固技术研究

张 俊

（晋煤集团寺河矿，山西 晋城 048000）

大采高综采工作面具有工作面产量高、瓦斯治理难度小等优点，是开采厚煤层的一种重要方式[1-2]。大采高综采工作面采煤工艺过程与一般综采基本相同，但是由于垮落带高度增加，且工作面开采强度大，其矿压显现比较强烈[3]。因而，工作面煤壁片帮、冒顶、三角区破碎等问题成为大采高综采工作面安全高效开采、综采设备效能发挥的重要制约因素[4-6]。三角区注浆加固是确保大采高综采工作面安全开采的有效措施，根据相关研究提出对晋煤集团寺河矿井W5303 大采高工作面三角区易片帮区域进行注浆加固处理，保证了工作面安全、快速推进。

1 工程概况

W5303 工作面煤厚为5.7 m，煤层平均倾角5°，工作面走向长625 m。53031 巷由于受到回采工作、巷道布置等时间和空间上的影响，5302 工作面一次采动时，巷道巷帮煤体裂隙已经较为发育。5303 工作面开采时，53031 巷高为3.7 m，开采高度为5.3 m，端头区域与巷道相邻部分为阶梯状，构成了一个“三角区”，使端头区域部分易破碎、片帮，给工作面的安全回采和支护带来困难。工作面端头区示意图如图1。

图1 工作面端头区示意图

2 采动影响下工作面三角区破坏规律分析

通过对5302 工作面复用巷道53031 巷进行变形观测，可以了解巷道所受动压影响下工作面前方及后方采空区支承压力影响范围以及在动压影响下巷道变形与支承压力影响范围的时空关系，包括：巷道在不同时期、不同地点的变形程度、稳定时间及稳定时滞后工作面的距离、巷道最大变形程度，动压影响复用巷道不同变形程度的范围等，从而为选择合理的注浆范围与注浆时机提供理论依据。

2.1 测点布置及观测方案

主要观测方法为“十”字布点法，观测53031巷道的顶底板移近量、两帮移近量。观测仪器为钢卷尺和带线挂钩。在5303 切眼前方10 m 开始布置10 个测点，测点间距10 m，在测点布置过程中尽量选择煤壁相对稳定的断面布置，因此实际布置过程中断面位置可能稍有偏移。测站采用“十”字布点法监测巷道断面，共A、B、C、D 四个点，在相应巷帮及顶、底板进行标定，如图2。

图2 巷道变形测站布置剖面图

2.2 表面位移变形规律分析

进行测量后，综合分析现场数据，可以得出5303 工作面采动下53031 巷的表面位移变形规律，归纳见表1。

表1 53031 巷巷道表面位移变形规律一览表

通过对53031 巷测点表面位移观测数据进行分析整理，得出在动压影响下大采高长工作面回采巷道表面位移的变形规律，大致可以将53031 巷前方采动影响范围划分为无采动影响区、初始采动影响区和剧烈采动影响区三个范围。无采动影响范围：在5303 工作面前方56 m 之外，巷道围岩移动变形量小，巷道维护状况良好；初始采动影响范围：初始采动影响范围在23～56 m 以内，该范围内由于巷道受到回采动压作用的影响，巷道变形速度增加；剧烈采动影响范围：剧烈采动影响范围在距离工作面前方23 m 之内，伴随着工作面的推进，受到强烈回采动压影响，巷道围岩变形、顶底板移近量会逐步增加。由此为依据，对工作面前方初始采动影响区和剧烈采动影响区进行注浆加固。

3 注浆加固方案

3.1 注浆钻孔深度

5303 工作面回采的二次采动影响下，端头区变化比较明显，整个端头区都是塑性区域，煤体破碎严重。同时，煤柱区域的应力向端头区域转移，进一步加剧了端头区的破坏。端头区的塑性区范围为15 m 左右，而注浆加固的范围主要是受支承压力影响的破裂煤体范围，设计在煤体中打深孔进行注浆加固，深孔设计为20 m，能够较好地提高围岩的整体稳定性，达到对大采高工作面三角区注浆加固的目的。

3.2 注浆钻孔布置

在53031 巷的注浆区域布置上下两排钻孔，上排和下排钻孔交错布置，下排钻孔距离底板的高度1.5 m，上排钻孔为2.5 m，上下排注浆钻孔间距3 m；下排钻孔角度垂直于巷帮，上排钻孔具有一定角度，钻孔上仰角度为8°，上下排钻孔孔深均为20 m。注浆钻孔布置如图3。

图3 53031 巷巷道注浆钻孔布置示意图

3.3 注浆材料

联邦加固I 号是以无机材料为主要组成成分的一种快凝、早强型单液无机注浆材料，具备较强的可注性。两种浆液在混合前，6 h 内不凝固、不泌水、不沉淀，且材料流动性较好，可以满足深孔长时间扩散的要求，可保证较大的注浆量。不同龄期及水灰比条件下抗压强度见表2。

表2 联邦加固I 号（单液）注浆材料不同水灰比抗压强度

4 工程效果

（1）本次三角区注浆加固范围为185 m，共计注浆79 个孔，注浆量为2634 袋，平均每孔注浆量为33.3 袋，最大单孔注浆量为148 袋。现场注浆材料所用水灰比为0.8，共注浆液115.53 t。

（2）工作面三角区注浆后，在工作面回采的过程中对煤壁片帮情况进行观测，并统计汇总，片帮情况见表3。

表3 三角区注浆后工作面煤壁片帮统计表

通过对注浆前后现场实际情况进行对比，可以看出注浆前工作面煤壁片帮现象非常严重，片帮深度比较大；在进行注浆加固后，由工作面注浆后煤壁片帮统计表可以看出，片帮量大大减小，减小范围平均为0.4 m，有效控制了煤壁片帮现象，基本达到了防止煤壁片帮的要求，对工作面的正常回采提供了保障。

5 结 论

（1）根据观测确定了工作面前方的无采动影响区、初始采动影响区和剧烈采动影响区的范围，为工作面三角区注浆加固提供依据。

（2）根据三角区注浆加固需要，注浆材料选用了流动性好、扩散性好、早期强度高的新型单液无机注浆材料。

（3）通过向煤体内进行打孔注浆，对受超前支承压力影响范围内的破碎煤体进行加固，提高煤体的强度。当工作面推进到注浆区域后，由于破碎的煤体在浆液的固结作用下胶结形成整体，工作面煤壁不会轻易出现片帮，且片帮范围比较小，达到了比较理想的效果，可以实现工作面安全、快速推进。