大采高工作面深、浅孔组合注浆加固技术研究

史中刚

(晋能控股装备制造集团有限公司 寺河煤矿， 山西 晋城 048000)

1工程概况

综采工作面在回采过程中，由于受到推进速度、地质构造以及煤岩体岩性等因素的影响，容易发生片帮、冒顶事故[1,2]. 对于大采高工作面，煤壁和顶板破碎不稳定的问题更为突出[3]. 目前注浆加固技术是解决工作面片帮、冒顶问题的有效方法[4]. 山西晋煤集团寺河煤矿W3309工作面位于西三盘区，工作面南为西三盘区的盘区大巷(已掘)、东为W3308工作面(已采)，西为W3310工作面(正掘)，北为矿界。工作面开采3#煤层，走向长度1 711.8 m，倾斜长度297.5 m，煤层平均厚度6 m，煤层为条带状结构，似金属光泽，半亮型，以亮煤为主，有夹矸1层，属稳定型煤层。煤容重1.46 kg/m3，煤层普氏硬度系数f=1～2. 采用一次采全高综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。工作面顶底板情况见表1.

从表1中可以看出，W3309大采高工作面煤层上方0.4 m为炭质泥岩伪顶，直接顶为2.15 m厚的砂质泥岩，顶板完整性差、抗拉强度低，不稳定。在回采过程中，持续遇到强矿压显现，顶板压力大，出现冒顶较为严重现象。回采过程中部分支架位置随采随冒，冒落矸石在支架上方堆积，严重影响移架和工作面推进。针对上述问题，对工作面岩性情况进行分析，结合深、浅组合注浆加固技术对工作面进行治理，以保证工作面能安全、高效生产。

表1 W3309工作面顶底板岩性情况表

2 工作面注浆加固设计

2.1 深、浅注浆孔布置思路

目前通过在工作面注浆对煤壁加固，能够起到预防片帮作用，但是从现场情况看，顶板冒落与煤壁并无绝对关系，伪顶和直接顶本身性质才是最关键因素，但也不能忽视煤壁对顶板的支撑作用。另外，原始顶板虽然强度较低，但是较为完整、致密，是在工作面前方几米范围内超前支承压力剧烈作用下发生破碎，在采煤机截割上部煤体后，顶板暴露快速冒落，充分说明超前预注并不一定能够有较大的注浆量。

因此，该次预注浆加固以顶板为主，采用“浅孔表面封闭+深孔高压扩散”的预注浆方式，提高工作面完整区和易破碎区顶板连续性，使之形成共同承载结构[5].

2.2 工作面钻孔注浆方案

在工作面出现片帮区域和冒顶的支架范围区域首先采用浅孔封帮。工作面煤壁高度约6 m，钻孔矩形布置，每排4个钻孔，排距3 m，间距1.5 m，最上部钻孔开孔高度距离顶板0.5 m，仰角5°；其余钻孔仰角0°. 孔深均为8 m，孔径为42 mm. 浅部钻孔布置见图1.

图1 工作面煤壁浅孔钻孔布置示意图

在浅孔封帮工序完成后进行深孔注浆。在每个支架护帮板下方及架间各布置1个钻孔，煤层仰角为3°，开孔位置尽量贴近顶板，距离顶板0.5 m，钻孔设计深度30 m，钻孔均沿着回采方向，仰角均为8°，终孔位置进入直接顶1～2 m，形成稳定支点。深孔注浆示意图见图2.

图2 工作面深孔钻孔布置示意图

3 注浆施工工艺

3.1 深孔分段注浆

在工作面浅部0～3 m，煤岩裂隙较为发育，深部大于3 m范围，煤岩体较为完整，如果采用深孔一次注浆，浆液会优先在浅部扩散，深部裂隙浆液不容易扩散。在注浆压力作用下，浅部会出现漏浆现象，而深部未达到注浆加固的效果。因此采用分段注浆的方式，在浅部首先注浆，达到浅孔封闭的作用。随后继续套孔至设计孔深，进行第二次注浆。具体施工工艺如下：

1) 套管安装及固定。首先使用钻机打3 m直径为113 mm的钻孔，在钻孔中插入套管，套管为d108 mm的钢管，每节长1.5 m，两节之间通过丝扣连接，钢管外端接上法兰盘，另一片法兰盘与高压注浆管连接，注浆将套管与钻孔固定。

2) 分次钻进及注浆方式。套管固定完成后，打开法兰盘，使用94 mm钻头打钻，继续钻进30 m，退出钻杆和钻头，通过法兰盘进浆口注浆，再进行扫孔钻进至设计深度。如果出现破碎、塌孔，无法继续钻进，也可以再次退钻注浆。

3.2 注浆工艺参数

1) 封孔参数。浅孔封孔长度为2 m，采用两堵一注方式，铁管两端包裹棉纱，中部灌浆，见图3. 工作面深孔封孔长度为2 m，采用两堵一注方式，最外部1根铁管两端包裹棉纱，中部灌浆。

图3 浅孔封孔示意图

2) 打钻注浆顺序。采取循环注浆方式，每20 m为1个循环，先注浅孔，后注深孔，每注完1个循环浅孔后，进行深孔注浆，防止间隔时间过长裂隙重新发育。浅孔注浆顺序：先注下排，后注中排,再注上排，采用间歇注浆工艺，漏浆时停泵棉纱辅助封堵漏浆点，复注即可凝固堵漏，浅孔注浆同一钻孔需要多次堵漏，必须达到设计注浆压力，保证封帮质量。

3) 注浆时机。注浆过早裂隙不发育，注浆量小、注浆压力大，难以达到效果。最佳注浆时机应该在超前支承压力区内，但离工作面过近，一方面会从工作面一侧漏浆难以封堵，另一方面可能塌孔严重，影响浆液扩散，另外造成施工紧张。浅孔根据工作面推进情况进行实时注浆。进入工作面前方20～40 m再进行深孔注浆，注浆始终保持超前工作面20～40 m，形成“移动注浆”。

4) 注浆压力。浅孔：注浆终止压力4～6 MPa，当达到设计压力，或者从一处反复漏浆无法封堵时，可以换孔，注浆量过小时应当开孔复注。深孔：注浆终止压力10～15 MPa. 当出现漏浆卸压，进行封堵注浆，成功堵漏后继续注浆达到注浆压力要求。

3.3 工作面注浆效果分析

经过对工作面进行“浅孔表面封闭+深孔高压扩散”预注浆加固处理，提高了工作面易破碎区顶板的连续性，使之形成共同承载结构。通过在工作面出现片帮和冒顶的支架范围区域采用浅孔封帮，有效改善了煤壁强度，起到预防片帮作用。另外，为深孔注浆防漏浆提供了良好的条件。深孔注浆改善了工作面深部的煤岩条件。注浆加固后工作面片帮、冒顶现象减少，工作面能够安全、高效推进，表明深、浅孔组合注浆取得了良好的加固效果。

4 结 论

1) 结合寺河煤矿W3309大采高工作面在推进过程中，持续遇到强矿压显现，冒顶严重现象。采用“浅孔表面封闭+深孔高压扩散”的预注浆方式，提高工作面完整区和易破碎区顶板连续性，使之形成共同承载结构。

2) 工作面注浆采用分段注浆加固工艺，分别对浅孔和深孔注浆参数进行设计。采用浅孔封帮，有效改善了煤壁强度，起到预防片帮作用。深孔注浆改善了工作面深部的煤岩条件。深、浅孔组合注浆取得了良好的加固效果。