南河煤业工作面黄泥岩顶板注浆加固技术研究

王阿东，张广杰，赵金琳，何志伟

（1.晋能控股煤业集团南河煤业有限公司，山西 高平 048400；2.河南理工大学河南理工产业技术研究院，河南 焦作 454003；）

南河煤业15110工作面顶板是黄泥岩侵入K2石灰岩的顶板，在其回采期间上方顶板发生破碎、离层、漏矸或冒顶的可能性较大，对矿井安全回采带来严重影响。确保工作面正常回采的前提是顶板安全稳定，因此本文基于工作面黄泥岩顶板特征，研究黄泥岩顶板成因及其工作面破碎区域特性，提出在切眼、回采巷道向工作面顶板超前预注浆加固改性控制方法，使工作面能够以正常速度安全回采。

1 工程背景

15110工作面开采15号煤层，煤厚平均3.85 m，煤厚变化较大，常夹0～2层夹矸，普氏系数为2～6，倾角平均达到23°。工作面埋深在47～193 m之间。工作面走向长度为430 m，倾斜长度为122 m，其回采巷道沿煤层顶板掘进，顶板为黄泥岩侵入的K2灰岩，局部为黑色泥岩，底板为泥岩或粉砂岩。工作面煤层综合柱状图如图1所示。

图1 15号煤层综合柱状图

针对15110工作面含黄泥侵蚀的灰岩顶板，其顶板具有软弱的特性，工作面回采期间顶板管理困难，不利于安全开采等问题，需要对工作面黄泥岩顶板成因、现场钻探结果及顶板治理方法研究分析。

2 黄泥岩顶板成因及现状分析

2.1 黄泥岩顶板成因分析

目前黄泥岩顶板有四种存在形式：①赋存于K2灰岩之下，直接位于煤层之上，与煤层之间接触界面清晰，呈弯曲状形态，厚度不一，黄泥因含水率不同，有泥化和离层现象，巷道开挖后出现离层脱落，顶部出现空间大小不等的空洞，为强化支护采用工字钢和木垛填充支护措施；②充填于K2灰岩岩溶裂隙，呈不规则状、薄饼状，厚度随裂隙空间大小而变化，在黄泥层表面可见红色氧化膜存在；③以黄泥夹层形式赋存于顶板K2灰岩之间，属灰岩垂向沉积环境演变发生岩石相变的产物；④黄泥岩呈层状覆盖于K2灰岩之上，属于沉积环境垂向演化的正常泥岩经地下水浸润和长期遭受风氧化后产生泥化作用形成软弱岩层，若下部K2灰岩岩溶裂隙发育则软弱岩层在上覆地层压力作用下被挤入岩溶裂隙，导致灰岩岩溶裂隙被黄泥充填。

根据黄泥岩赋存状态可知，黄泥岩实质是煤系地层发育的灰黄色泥岩遭受地下水长期浸润发生泥化作用形成的产物。沁水盆地K2灰岩与上覆地层之间属于连续沉积，没有发生沉积间断，不存在大型沉积间断面使灰岩风氧化形成风化壳，所以不是风氧化带产物。据石炭系地层出露和K2灰岩发育特征，大气降水和CO2对K2灰岩存在长期溶蚀作用，加之石炭系中发育的黄铁矿形成酸性地下水给碳酸钙溶蚀产物和相邻软岩泥化提供了沉积场所。K2灰岩长期溶蚀产生的裂隙-溶洞和地表发现的陷落柱通道，为浅部大气降水向深部渗流创造了地下水的径流通道，使大气中CO2和降水源源不断地沿灰岩溶蚀通道或砂岩裂隙通道进入深部地层，导致灰岩中夹层泥岩和相邻的灰黄色泥岩在长期遭遇地下水的浸润而软化。由于黄泥岩的主要矿物组成是黏土岩，黏土矿物含量占比约60%，亲水性和吸水性能力增强，当灰黄色泥岩达到饱水状态时，随地质时间延长，软化的灰黄色泥岩逐渐发生泥化作用形成黄泥，若没有人为干扰依然保持层状特征，只是含水率大大增加，当遇到地下采矿活动形成的可容纳空间时便在自重和地应力挤压作用下进入井下巷道或采煤工作面，这些黄泥在地下水过饱和作用下甚至形成流动态-泥流，严重影响井下采矿作业和煤层顶板支护。

根据黄泥岩成因和K2灰岩岩溶发育程度，结合地质构造发育规律可预计，在灰岩厚度较大、溶蚀作用较弱的区域黄泥岩发育程度较低，而在灰岩溶蚀作用强烈、泥岩发育的区域黄泥岩发育程度增大。据此，可根据紧邻K2灰岩的黄泥岩厚度预测黄泥岩的发育规律。但要降低黄泥岩的含水性，就必须从防治水的角度截断K2灰岩的导水通道或降低大气降水对K2灰岩含水层的补给来源，同时在井下灰岩含水层的富水区域进行疏放K2灰岩水和“两带”高度内的砂岩裂隙水，以减缓或解除含水层积水对黄泥岩的软化和泥化作用。

图2 15110工作面钻孔探测图

2.2 工作面顶板破碎区域分析

15110工作面整体为单斜构造，两顺槽西高东低，落差约36～45 m。据工作面钻探结果知道，工作面0～360 m段煤层受风氧化影响较小，360～520 m段煤层受风氧化影响严重，多数钻孔内见氧化煤，现场揭露时顶板局部有黄泥覆盖，顶板破碎不完整，如图2所示。15110回采巷道在掘进期间遇到直接顶含黄泥夹层等强度较低的软弱顶板，因其软弱岩层的存在导致顶板强度、完整性及承载能力减弱，顶板易在黄泥岩界面发生离层现象，且施工期间黄泥岩遇水膨胀、呈胶状体，钻机排渣困难，容易卡钻，严重影响施工进度和巷道稳定性。

3 工作面顶板注浆加固技术

3.1 黄泥岩顶板治理思路

根据黄泥岩顶板成因分析结果可知，K2灰岩长期溶蚀产生的裂隙-溶洞，使得顶板灰岩不完整且强度低，因此提出对顶板改性的思路对顶板进行注浆加固，使其黄泥岩顶保持完整性。注浆还可具有网络骨架支承加固（岩体受压后出现许多裂隙，实施注浆后浆液使岩体裂隙胶结，并形成骨架支承结构）、改变煤岩体的破坏机理和充填压密的功能（浆液凝结后的注浆材料将裂隙填充，同时使破碎的岩石面胶结到一起，能有效减弱在裂隙两端出现应力过高的现象，围岩的破坏机理得到很好改善）、提高煤岩体强度（注浆期间，液浆经注浆泵高压进入裂隙中，有效增加了岩体弹性模量和强度）、形成承载结构（黄泥岩体在顶板压力作用下被压碎，力学性能大幅下降，通过注浆加固后能有效改变岩体裂隙弱面的力学性能，增加整体稳定性；还能使被压裂的岩体再次胶结在一起，大幅提升承载性能，从而使岩体被压缩量减小，为支架分担更大的压力）及改善赋存环境（对黄泥岩体注浆改性后，被压裂岩体的承载及整体性能得到很大提升，使工作面在遇到断层构造时保证围岩稳定，减少片帮冒顶事故的发生）等作用。

3.2 顶板注浆加固方案

3.2.1 注浆材料选择

基于15110工作面黄泥岩顶板赋存特性，为使得工作面能够安全且高效的开采，降低其顶板悬空可能，考虑注浆具有改性岩体内部网络骨架、充压密实裂隙等加固改性机理，对工作面黄泥岩顶板实施注浆充填加固试验，以确保工作面安全正常回采。根据黄泥岩侵入K2灰岩顶板特性及工作面回采要求，考虑使用渗透性好、粘结力高且岩层亲和力强的石炭纪加固Ⅰ号注浆材料。该材料是一种快凝、早强、高渗透性的新型双液无机注浆材料，主要成份是无机矿粉，还具有较好的可注性、结石率高且凝结时间和胶结强度可调，适宜于破碎巷道、采掘工作面等条件下的注浆加固。

3.2.2 注浆参数确定

1）注浆时间。注浆时间是浆液通过注浆孔进入围岩裂隙中到注浆完成后所需的时间，注浆时间的长短主要受浆液的黏度、注浆泵的能力影响；注浆泵能力愈强，注浆时间愈短；浆液黏度愈大，注浆时间也就愈长。要使浆液在围岩破裂区或贯通的裂隙面内扩散范围大，以至于出现漏浆，需要合理把握注浆压力、注浆时间来确保注浆效果；浆液在微小裂隙位置流动速度较慢且流量较少，需把注浆时间延迟，保证能够达到预期效果。

2）因注浆参数难以较为准确，致使注浆压力难以理论计算得到，可据实践经验获取。注浆的目的是使巷道不会发生破坏或工作面安全回采，实质是增加煤岩体的围岩强度，但不能使完整结构再次破坏。若注浆压力达到一定值时，很有可能会有浆液渗出的现象，按以往注浆经验，一定得控制好注浆压力大小，注浆压力不宜过大，否则会影响注浆效果。通常注浆压力1～3 MPa，劈裂注浆压力3～5 MPa，在压力为3 MPa时围岩出现劈裂，导致浆液的损失，且还会使得顶板更为破碎。因本次注浆是对15110工作面富含黄泥岩的顶板进行注浆，因此确定工作面注浆压力5 MPa。

3）注浆扩散半径。注浆实践时注浆孔间排距是否合理直接影响注浆效果，而注浆扩散半径则决定注浆孔间排距，因此需要获得注浆扩散半径。根据多孔介质理论，注浆扩散半径表达式为：

式中；r为浆液扩散半径，cm；k为地层渗透系数，取1.5×10-2cm/s；t为注浆时间，取7 200 s；h为以厘米水柱表示的注浆压力，cm；r0为注浆管半径，3 cm；β为浆液的相对黏度，取2.7；n为地层孔隙率，取3%。

当注浆压力为5 MPa时，h=50 000 cm；将相关数据代入式（1）计算得r=10.16 m。因工作面所处的地质条件不一样，浆液扩散范围也不一样，因此在选择注浆扩散范围时可根据现场试验而定，考虑所选取的注浆材料自身特性及其现场试验效果，注浆扩散半径按照10 m设计。

3.2.3 现场实施范围确定

15110工作面自切眼巷道到两顺槽160 m范围内，煤层顶板具有黄泥覆盖，此范围为工作面顶板注浆重点区域。结合现场实际情况，通过在15110工作面切眼巷道和两顺槽向工作面顶板（黄泥入侵的K2石灰岩为注浆层位）进行注浆。

根据注浆范围、注浆量及扩散半径等因素，结合15110工作面钻探分析结果，切眼巷道、回风顺槽、运输顺槽设计钻场数量分别为2个、6个和4个，每个钻场2～3个深度为51 m钻孔，钻场布置示意见图3所示，1、2号钻场在切眼巷道内，位置分别在距运输顺槽32、82 m处；3～8号钻场在回风顺槽内，位置分别在距切巷80、130、180、310、360、410 m；9～12号钻孔在运输顺槽内，位置分别在距切眼巷道88、138、196、247 m。钻场内注浆钻孔间距为0.5 m，距巷顶1.5 m，钻孔按一定角度垂直机巷、风巷，终孔间距不大于10 m。注：施工深孔时由于钻机问题会发生一定的偏转，所以现场施工时应适当增加一定钻孔角度及钻孔深度，钻孔施工参数见表1。

图3 工作面注浆孔布置示意图

表1 注浆钻孔施工参数

3.3 现场实施效果分析

为验证顶板注浆效果，采用矿用钻孔窥视仪对15110工作面顶板情况进行窥视。注浆钻孔B施工完成后，对顶板情况进行了窥视，孔内灰岩顶板存在纵横交错的裂隙发育明显且有破碎的结构，灰岩整体性较差。待该孔注浆结束后，施工注浆钻孔C，在钻孔施工过程中，所取碎屑中可以看见明显的注浆体与岩石胶结在一起的碎块，并通过窥视发现，孔内破碎结构不多，灰岩内裂隙得以充填和固结，孔壁可看清浆体充填痕迹，孔内浆液固结体呈薄厚不一的片状或条状，裂隙得以填实，灰岩完整率提高。注浆范围孔内能看清浆体充填痕迹，可认为浆液在岩体裂隙内充填区域较大，达到了注浆预期效果。

回采期间并对其黄泥岩顶板压力作了观测，工作面支架工作阻力多数超过30 MPa，说明该工作面在回采时其压力整体正常，能保障工作面按正常速度回采。

4 结论

1）通过对黄泥岩顶板4种形式存在描述，黄泥岩顶板主要是由于煤系地层发育的灰黄色泥岩遭受地下水长期浸润发生泥化作用形成的，在灰岩厚度较大、溶蚀作用较弱的区域黄泥岩的发育程度较低，而在灰岩溶蚀作用强烈、泥岩发育的区域黄泥岩的发育程度增大。

2）南河煤业工作面黄泥岩顶板灰岩裂隙发育明显，并且分析了灰岩裂隙发育、冒落特征以及对矿井安全高效开采的影响。提出采用石炭纪加固Ⅰ号双液无机注浆材料对黄泥岩顶板进行注浆加固，并确定注浆孔布置方式、注浆压力及注浆时间等参数。现场注浆后，注浆范围孔内浆体充填痕迹明显，破碎结构大幅降低，灰岩内部裂隙得以填实胶结，现场实施效果良好。