李永賓

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)盛泰煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 工作面概況

盛泰煤礦15203 綜采工作面 （以下簡(jiǎn)稱工作面）位于二采區(qū)的中部，東部為15202 采空區(qū)，西部相隔20 m 為準(zhǔn)備面15204 回風(fēng)順槽。南面相隔30 m 為井田邊界，北部為西翼回風(fēng)大巷、膠帶大巷、軌道大巷。

工作面走向長(zhǎng)度為2 580 m，傾向長(zhǎng)度為200 m。工作面所采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組15#煤，該煤層厚度變化不大，無(wú)突變現(xiàn)象，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部褶曲現(xiàn)象比較明顯，但對(duì)整個(gè)工作面回采工作影響不大。15#煤含夾矸2 層，單層厚0.02～0.1 m。15#煤層頂板上部有一層夾矸，厚度0.5～1.5 m，夾矸上部有一層14#煤層，厚度0.9～1.0 m。15#煤層屬半亮型呈小碎塊狀煤，煤質(zhì)較好，煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 15203 工作面回采的15#煤層頂?shù)装鍘r性

工作面回采至450 m 處時(shí)位于工作面尾部揭露一條F7正斷層，斷層落差為1.4 m，斷層侵入后造成尾部三角煤柱出現(xiàn)破碎垮落現(xiàn)象。隨著工作面推進(jìn)，在構(gòu)造應(yīng)力、回采應(yīng)力作用下尾部三角煤柱預(yù)留難度大，垮落嚴(yán)重。當(dāng)工作面回采至455 m處時(shí)三角煤柱垮落后造成懸頂面積達(dá)8.7 m3，局部支架工作阻力達(dá)42 MPa，局部支架出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象。針對(duì)這一難題，經(jīng)技術(shù)論證，決定對(duì)尾部斷層區(qū)域煤壁采取注漿加固技術(shù)。

2 注漿材料選取

為了防止注漿期間出現(xiàn)放熱反應(yīng)，注漿材料采用水泥漿液，主劑為水泥，輔助劑為石灰、石膏，同時(shí)添加一定量的復(fù)合添加劑。漿液材料配比直接影響著注漿效果[1-2]，所有對(duì)注漿材料各成份必須配比合理。

2.1 復(fù)合添加劑配量

復(fù)合添加劑配量主要對(duì)漿液凝固體抗壓強(qiáng)度有一定影響[3]，所以為了選取合適的復(fù)合添加劑配量，對(duì)選取不同濃度的復(fù)合添加劑注漿材料凝固體進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 復(fù)合添加劑不同濃度大漿液凝固體單軸抗壓強(qiáng)度變化

通過(guò)表2 發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加劑配量在1.0%～2.0%時(shí)，隨著復(fù)合添加劑濃度增加巖體單軸抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間增強(qiáng)，而復(fù)合添加劑濃度在2%后隨著濃度增加，巖體抗壓強(qiáng)度基本不變，所以選取復(fù)合添加劑濃度為2%。

2.2 水灰比確定

復(fù)合添加劑配量濃度確定后，采用DYE-300型抗壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)試對(duì)不同水灰比下漿液凝固體單軸抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 不同水灰比漿液凝固體單軸抗壓強(qiáng)度變化

通過(guò)表3 可得，水灰比在（0.5～0.8）:1 范圍內(nèi)隨著水灰比增大，漿液凝固體單軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低，所以選擇水灰比為0.5:1。

3 注漿施工分析

3.1 注漿加固技術(shù)

采掘工作面圍巖在采動(dòng)前處于四向應(yīng)力平衡狀態(tài)，當(dāng)采掘施工后受采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)影響，圍巖內(nèi)部出現(xiàn)裂隙[4-6]，破壞了圍巖內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)，減小了圍巖內(nèi)摩擦角及內(nèi)摩擦系數(shù)，從而導(dǎo)致圍巖破碎、下沉、垮落等應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象[7]。工作面斷層區(qū)域煤壁注漿加固技術(shù)利用注漿材料與圍巖共同發(fā)揮支護(hù)作用，對(duì)煤壁內(nèi)部裂隙進(jìn)行高壓注漿，使?jié){液完全滲透至裂隙帶內(nèi)，一方面對(duì)裂隙帶內(nèi)空氣進(jìn)行排擠，起到封堵作用，防止煤體氧化[8-10]，另一方面注漿材料具有很強(qiáng)的黏結(jié)作用，使破碎圍巖實(shí)現(xiàn)二次重組，增加煤巖體間內(nèi)摩擦力和內(nèi)摩擦系數(shù)，改變圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)； 同時(shí)注漿材料凝固后形成網(wǎng)絡(luò)骨架，可提高圍巖抗載荷強(qiáng)度。

3.2 單孔注漿量

煤礦注漿施工單孔注漿量可根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q 為單孔注漿量，m3；R 為漿液擴(kuò)散半徑，水泥砂漿擴(kuò)散半徑為4.0 m；L 為鉆孔深度，工作面鉆孔深度為5.0 m，回風(fēng)順槽側(cè)煤壁注漿鉆孔深度為15 m；z 為圍巖裂隙密度，取0.08；α 為注漿材料充填率，取87%；η 為注漿期間漿液流失率，取1.3。通過(guò)計(jì)算工作面單孔注漿量Q面和順槽煤壁單孔注漿量Q壁分別為：

2.3 注漿施工方案

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)F7斷層對(duì)工作面走向影響長(zhǎng)度為24 m，傾向方向影響長(zhǎng)度為16 m，即131#～121#支架之間。故決定對(duì)工作面回采期間斷層影響區(qū)域的煤壁采取仰斜鉆孔注漿施工，對(duì)回風(fēng)順槽側(cè)布置深孔超前注漿加固。

（1）注漿鉆孔布置。煤壁共計(jì)布置一排注漿鉆孔，鉆孔采用仰斜布置方式，鉆孔深度為5.0 m，直徑為45 mm，鉆孔采用50°仰斜布置。鉆孔布置在121#～131#支架前方煤壁上，距頂板間距為1.0 m，共計(jì)布置6 個(gè)注漿鉆孔，鉆孔布置間距為3.0 m。鉆孔施工完后對(duì)鉆孔內(nèi)填裝一根長(zhǎng)度為6.0 m，直徑為21 mm 的柔性棕繩，并安裝注漿軟管。回風(fēng)順槽側(cè)煤壁布置一排注漿深孔，注漿孔深度為15 m，直徑為45 mm，鉆孔與頂板間距為1.5 m，鉆孔布置間距為5.0 m，共計(jì)布置4 個(gè)，如圖1 所示。鉆孔施工后對(duì)鉆孔內(nèi)安裝注漿花管，采用分段式注漿工藝。鉆孔內(nèi)分為注漿區(qū)和封堵區(qū)，注漿區(qū)共計(jì)三段，孔口段、中部段以及孔底段，封堵區(qū)兩段；注漿區(qū)每段長(zhǎng)度為4.0 m，封堵區(qū)每段長(zhǎng)度為2.0 m。

圖1 15203 工作面注漿鉆孔布置平面

（2）注漿系統(tǒng)及設(shè)備。工作面注漿設(shè)備主要由攪拌桶、盛漿桶、吸漿管、液壓注漿泵、卸壓閥、壓力表、混合器、截止閥、注漿管等部分組成，如圖2所示。注漿泵型號(hào)為ZBY230/25-56 型，該注漿泵最大注漿流量為210 L/min，最大注漿壓力為20 MPa。該注漿泵能夠根據(jù)注漿壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)注漿量，從而保證注漿效果。

（3）注漿工藝。注漿前將注漿設(shè)備搬運(yùn)至注漿地點(diǎn)并與注漿孔連接好，注漿時(shí)從上風(fēng)口向下方口依次注漿，注漿前必須檢查設(shè)備管理連接牢固情況以及堵塞情況，保證注漿施工通暢。注漿前必須按設(shè)計(jì)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)好注漿配料，并攪拌均勻，配料調(diào)制均勻后打開(kāi)注漿泵進(jìn)行注漿施工。注漿時(shí)將注漿壓力調(diào)制最大壓力即25 MPa，注漿一段時(shí)間后注漿壓力降低。注漿過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格觀察煤壁漿液滲透情況，當(dāng)煤壁出現(xiàn)漿液滲透時(shí)立即停止注漿，然后再次開(kāi)泵觀察，若再次開(kāi)泵煤壁同樣出現(xiàn)漿液滲透且與前一次時(shí)間間隔短時(shí)立即停止注漿，并清理注漿系統(tǒng)。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 提高了煤巖單軸抗壓強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)工作面斷層區(qū)煤壁采取注漿支護(hù)技術(shù)后，漿液能夠完全滲透到斷層裂隙區(qū)內(nèi)，使破碎煤巖進(jìn)行二次重組，通過(guò)單軸抗壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注漿后的煤巖體單軸抗壓強(qiáng)度能夠提高至45 MPa。通過(guò)對(duì)工作面煤壁未注漿區(qū)和注漿區(qū)施工鉆孔并進(jìn)行窺視發(fā)現(xiàn)，在未注漿區(qū)鉆孔孔口一定范圍內(nèi)塌孔現(xiàn)象嚴(yán)重，隨著鉆孔鉆進(jìn)孔壁巖體出現(xiàn)局部裂隙現(xiàn)象，孔壁出現(xiàn)凸凹不平，如圖3（a）所示；而采取注漿措施后窺視孔孔壁光滑，未見(jiàn)裂隙現(xiàn)象，孔壁煤巖體完整，如圖3（b）所示。

圖3 15203 工作面斷層區(qū)圍巖注漿前后鉆孔窺視

4.2 提高了圍巖穩(wěn)定性

通過(guò)對(duì)工作面采取注漿支護(hù)技術(shù)后，工作面在后期回采過(guò)程中煤壁失穩(wěn)現(xiàn)象得了明顯改善，煤壁片幫長(zhǎng)度及深度減小了85%, 最大片幫長(zhǎng)度不足3.5 m，片幫深度不足0.8 m，端面距縮小至0.4 m，尾部三角煤柱垮落現(xiàn)象得到了明顯控制，尾端頭空頂面積減小至1.6 m3。

4.3 提高了回采效率

斷層區(qū)域煤壁圍巖采取注漿加固后，支架受壓現(xiàn)象得到了明顯改善，支架平均工作阻力在29 MPa 左右，未出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象；同時(shí)工作面加快了支架推移速度，回采速度由原來(lái)的1.8 m/d 提高至5.4 m/d。

5 結(jié)語(yǔ)

盛泰煤礦對(duì)15203 綜采工作面斷層區(qū)域采取煤壁注漿加固技術(shù)后，提高了斷層區(qū)域煤壁圍巖整體穩(wěn)定性。注漿后使煤壁圍巖內(nèi)部能夠形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)骨架，具有很強(qiáng)的抗壓作用，有效防止了在多重應(yīng)力作用下出現(xiàn)煤柱垮落、頂板破碎現(xiàn)象。注漿加固技術(shù)能夠?qū)鄬訁^(qū)域煤壁圍巖起到良好的控制效果，實(shí)現(xiàn)了工作面安全、快速回采。