靳毅軍

（山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司慈林山煤礦，山西 長治 046000）

由于大采高工作面采高較大、推進(jìn)速度快等特點(diǎn)，工作面開采擾動大，向前推進(jìn)過程中礦壓顯現(xiàn)較為明顯[1]，尤其是工作面末采階段，因煤柱變小導(dǎo)致應(yīng)力集中，工作面易發(fā)生片幫、冒頂及兩巷變形加劇等情況，給工作面末采階段安全管理增加很大難度。工作面末采階段，需采取針對性措施以防止工作面應(yīng)力集中導(dǎo)致的各類頂板事故。注漿能夠有效增強(qiáng)煤巖體整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及抗壓強(qiáng)度[2]，以慈林山煤業(yè)有限公司9107 工作面末采階段為工程研究背景，通過對煤巖體實(shí)施超前深孔注漿加固，以確保工作面安全、快速推進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)工作面安全回撤。

1 工程概況

慈林山煤業(yè)有限公司9107 工作面走向長度為1 425.6 m，傾向長度218 m，開采3#煤層。煤層厚度5.27～7.56 m，平均厚度6.72 m，煤層埋深180～220 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，煤層傾角0～9°，平均5°。煤層瓦斯相對涌出量1.3 m3/t，無自然發(fā)火傾向，煤質(zhì)普氏硬度系數(shù)f=1.5～2。基本頂為致密的中粒砂巖，厚度6.53 m；直接頂為砂質(zhì)頁巖，厚度8 m，中部夾有砂巖；偽頂為頁巖，厚度0.02～0.1 m，易冒落；直接底為砂巖，厚度1.76 m，質(zhì)地堅(jiān)硬，局部夾砂頁巖；基本底為頁巖，厚度3 m。如圖1。

圖1 9107 工作面巷道平面布置示意圖

2 大采高工作面片幫機(jī)理分析

大采高工作面由于煤壁較高，加上煤體自身硬度較低，在煤體自重及頂板壓力下，當(dāng)煤體所受應(yīng)力大于煤體自身強(qiáng)度時(shí)，煤體發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，破碎的煤體易向工作面傾倒墜落，即發(fā)生煤體片幫[3]?；夭晒ぷ髅姘l(fā)生煤壁片幫常見于回采期間片幫及過構(gòu)造帶期間片幫，具體片幫機(jī)理分析如下：

（1）回采期間片幫。回采期間，由煤壁及液壓支架承擔(dān)工作面頂板壓力，工作面推進(jìn)期間，直接頂隨采隨落，基本頂呈周期性垮落，在基本頂來壓之前，頂板呈大幅彎曲下沉狀態(tài)，支架及煤壁承載較大。根據(jù)工作面礦壓理論及頂板斷裂形態(tài)分析[3-4]，頂板變形及工作面受力分析如圖2。

圖 2 工作面頂板變形及受力結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2 所示，液壓支架頂部及后方為直接頂破碎區(qū)，直接頂上部的基本頂受直接頂?shù)钠扑橄鲁涟l(fā)生彎曲、斷裂及回轉(zhuǎn)下沉，致使應(yīng)力向工作面前方的煤壁轉(zhuǎn)移，煤壁受壓后產(chǎn)生塑性變形[4-6]，進(jìn)而在頂板壓力及煤體自重因素下向工作面傾倒墜落，發(fā)生煤體片幫甚至直接頂冒落。

（2）過構(gòu)造帶期間片幫?；夭晒ぷ髅孢^地質(zhì)構(gòu)造帶期間，易受構(gòu)造帶區(qū)域應(yīng)力集中影響，發(fā)生煤體片幫冒落。以常見的工作面過斷層為例，回采工作面過構(gòu)造期間的受力結(jié)構(gòu)如圖3。

如圖3 所示，因地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域煤巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育，致使應(yīng)力集中，在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)的煤巖體在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力下發(fā)生塑性變形，煤巖體較為破碎，回采期間受采動影響產(chǎn)生疊加應(yīng)力，致使煤巖體進(jìn)一步破碎變形，然后在頂板壓力及煤巖體自重作用下發(fā)生傾倒、冒落，引發(fā)片幫、冒頂事故。

圖 3 工作面過斷層受力結(jié)構(gòu)示意圖

3 片幫防治技術(shù)探討

3.1 誘發(fā)片幫的主要因素分析

為有效治理煤壁片幫問題，需綜合分析誘發(fā)回采工作面煤壁片幫的主要原因，具體有以下三個(gè)方面：

（1）煤體物理力學(xué)性質(zhì)的影響。煤體的硬度系數(shù)及內(nèi)部裂隙發(fā)育是影響煤壁片幫的主要因素之一。煤體硬度系數(shù)越高，內(nèi)部裂隙發(fā)育程度越低，則煤體整體穩(wěn)定性較好，工作面不易發(fā)生片幫，反之則煤體整體穩(wěn)定性較差，工作面易發(fā)生片幫。

（2）采面支護(hù)強(qiáng)度的影響。采面液壓支架對頂板及煤壁的支護(hù)強(qiáng)度必須適中，當(dāng)支撐力過大，會造成煤巖體進(jìn)一步破碎，支撐力過小則會因支護(hù)阻力不足致使頂板應(yīng)力向煤壁轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致煤體破碎加劇，故兩種情況均會加劇煤壁片幫。

（3）采高的影響。工作面采高越大，工作面回采后頂板回轉(zhuǎn)下沉空間越大，作用到煤壁的載荷也越大，使煤壁的破壞加劇，同時(shí)頂板產(chǎn)生的垂直應(yīng)力使煤壁向工作面碎漲，易發(fā)生片幫。

3.2 大采高工作面防治片幫的技術(shù)

根據(jù)誘發(fā)片幫的主要因素分析，大采高工作面煤壁受頂板壓力及采動影響易發(fā)生碎裂片幫。在三種誘發(fā)片幫的主要因素中，在采面支護(hù)強(qiáng)度控制良好情況下，回采的推進(jìn)度主要受煤體物理力學(xué)性質(zhì)影響。故提高煤體物理力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)煤體自身抗壓強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性是有效防治煤壁片幫的重要手段。眾所周知，通過對煤體進(jìn)行注漿，可使?jié){液滲透至煤體裂隙內(nèi)，漿液凝固后可對破碎的煤體進(jìn)行有效膠結(jié)，從而提升煤體的抗壓強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性，是防治煤壁片幫有效措施。

4 末采階段防片幫注漿加固方案

4.1 注漿時(shí)機(jī)的確定

根據(jù)工作面超前支承應(yīng)力范圍分布，結(jié)合9107工作面參數(shù)及現(xiàn)場觀測情況，工作面前方10～20 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，20～40 m 范圍為應(yīng)力升高區(qū)，40 m 以后為應(yīng)力降低直至原巖應(yīng)力區(qū)。工作面前方應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)?0 m 左右，處于該區(qū)域的煤體支承應(yīng)力最大，易發(fā)生煤體結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致煤體破碎。為確保末采階段煤體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需對該區(qū)域煤體進(jìn)行超前深孔注漿加固。為確保注漿加固效果，需在采動影響致煤體破碎前進(jìn)行注漿加固，即工作面距離回撤巷60 m 前必須對前方煤體進(jìn)行深孔注漿加固。

4.2 末采段注漿鉆孔布置方案

根據(jù)注漿時(shí)機(jī)確定結(jié)果，為確保深孔注漿能夠全面滲透末采段煤柱，同時(shí)從鉆孔深度、數(shù)量及超前注漿方面考慮，設(shè)計(jì)在回撤巷、運(yùn)輸順槽及回風(fēng)順槽內(nèi)布置注漿孔，鉆孔直徑均為93 mm?；爻废飪?nèi)布置的鉆孔主要負(fù)責(zé)對距離回撤巷30 m 范圍內(nèi)的煤體實(shí)施注漿加固，故設(shè)計(jì)孔深為15～30 m。運(yùn)輸順槽及回風(fēng)順槽布置的鉆孔主要負(fù)責(zé)隨工作面回采期間超前逐孔注漿，以解決末采階段應(yīng)力集中導(dǎo)致的煤體結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)通過超前逐孔注漿還可緩解末采階段的注漿工程量大及時(shí)間緊張問題。根據(jù)工作面寬度，運(yùn)輸順槽及回風(fēng)順槽布置的鉆孔深度為30～80 m，確保注漿期間漿液有效擴(kuò)散后覆蓋工作面整個(gè)傾斜長度范圍。工作面末采階段注漿鉆孔整體布置如圖4。

圖4 9107 工作面注漿孔平面布置示意圖（m）

回撤巷內(nèi)布置兩排注漿鉆孔，上排孔距頂1 m，孔深15 m，傾角+5°，下排孔距上排孔1.2 m，孔深30 m，傾角+3°。兩排孔呈“三花”布置，孔間距均為3 m。為防止注漿期間兩側(cè)鉆孔從順槽漏漿，兩側(cè)鉆孔距順槽距離為5 m。回撤巷鉆孔平、剖面設(shè)計(jì)如圖5。

圖5 回撤巷注漿孔平、剖面設(shè)計(jì)圖（m）

順槽內(nèi)布置三排注漿孔，三排孔呈“五花”布置，孔排距1 m。其中，上排孔距頂1 m，傾角+5°，孔深30 m；中排孔傾角+3°，孔深50 m；下排孔傾角0°，孔深80 m。如圖6。

圖6 順槽注漿孔平、剖面設(shè)計(jì)圖（m）

4.3 注漿工藝及要求

注漿期間，先從距離工作面10 m 處開始向回撤巷方向注漿，順槽注漿孔與回撤注漿孔平行作業(yè)。注漿期間，施工一個(gè)鉆孔注一個(gè)，為防止?jié){液向外滲漏，先注較淺鉆孔，再注深孔。采用兩堵一注方式進(jìn)行注漿，封孔長度均為6 m，封孔段采用雙液注漿材料，水灰比控制為0.8:1，注漿壓力控制為2～4 MPa。深孔注漿采用單液注漿材料，水灰比控制為0.7:1，注漿壓力控制為4～6 MPa。

5 深孔注漿加固效果檢驗(yàn)

采取深孔注漿加固后，在順槽及回撤巷內(nèi)每20 m 設(shè)置一個(gè)礦壓觀測站，用以觀測末采階段巷道變形量。通過觀察工作面末采階段的煤體片幫情況及順槽、回撤巷的變形情況，以檢驗(yàn)?zāi)┎呻A段深孔注漿加固效果。觀測過程中，因回風(fēng)順槽與運(yùn)輸順槽內(nèi)數(shù)據(jù)相近，故選取回風(fēng)順槽內(nèi)的測點(diǎn)1、2、3 及回撤巷內(nèi)中部的測點(diǎn)4，將該4 個(gè)測點(diǎn)在工作面末采期間的巷道移進(jìn)量數(shù)據(jù)繪制變形曲線圖，如圖7。

根據(jù)圖7 中各測點(diǎn)的巷道變形數(shù)據(jù)曲線分析，采取深孔注漿加固后，末采階段的各測點(diǎn)處巷道在距離回采工作面65 m 以上時(shí)，各測點(diǎn)處巷道變形量均在20 mm 以下，且變形速率均較低。距工作面小于65 m 以后，各測點(diǎn)處巷道變形速率有所增加，變形量逐步增大，直至回采至各測點(diǎn)處時(shí)，最大變形量為57 mm，均在巷道允許變形范圍內(nèi)。

圖7 巷道距工作面不同距離下的變形數(shù)據(jù)曲線圖

另通過觀測工作面末采階段的煤壁片幫情況，采取深孔注漿加固后的9107 工作面末采階段煤壁片幫現(xiàn)象明顯低于以往未注漿加固的回采工作面，僅局部注漿滲透效果較差的區(qū)域發(fā)生較小型的片幫。綜合結(jié)果表明，深孔注漿加固措施在9107 工作面對防止煤壁片幫及巷道變形具有顯著效果。

6 結(jié)論

大采高末采階段的9107 工作面實(shí)施深孔注漿后，注漿效果顯著，工作面兩巷及回撤巷未發(fā)生較大變形，末采階段工作面煤壁未發(fā)生較大片幫，表明深孔注漿加固措施能夠有效防止大采高工作面在末采階段出現(xiàn)的煤壁片幫、巷道變形量大等問題。