松软煤层大采高工作面深孔注浆加固技术

松软煤层大采高工作面深孔注浆加固技术张江利;陶广美【摘要】针对长平煤矿大采高工作面煤体疏松破碎、节理裂隙发育,煤壁易发生片帮、冒顶的问题，采用现场试验的方法，对长平矿大采高工作面的合理注浆时机、合理注浆压力、封孔和堵漏方法进行试验研究，并对工作面煤壁片帮情况进行统计分析.工业性试验结果表明:工作面超前支承压力弹性增强阶段的后部是工作面合理注浆加固区域，长平矿大采高工作面合理注浆区域为工作面前方30-40m,合理注浆压力为10-12MPa；采用深孔注浆加固后大采高工作面煤壁片帮情况得到有效控制，保证工作面安全生产.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷)，期】2018(049)009【总页数】4页(P175-178)【关键词】大采高;深孔注浆;注浆时机;注浆压力;片帮【作者】张江利;陶广美【作者单位】山西晋煤集团技术研究院有限责任公司仙西晋城048006;山西晋煤集团技术研究院有限责任公司,山西晋城048006【正文语种】中文【中图分类】TD353+.8随着采煤机械装备的发展，大采高综采已成为我国厚煤层安全高效开采的主要方法之一。但随着采高的增加，煤壁片帮更容易发生，工作面煤壁片帮问题是制约大采高综采安全高效开采的主要因素之一［1］。我国学者对大采高工作面的围岩控制进行了大量研究；文献［1-3］对大采高工作面的片帮特征进行了分析，认为半煤壁、整煤壁片帮是大采高工作面的2种典型片帮形式;文献［4-7］对软煤、断层等特殊条件下大采高工作面煤壁稳定性及控制技术进行了研究，并提出相应的防治措施；文献［8］对大采高综采工作面的合理采高进行数值模拟研究，提出工作面的片帮防治技术；文献［9-10］对工作面的注浆加固技术、工艺参数进行了针对性的研究，并进行现场试验。为改善槽波探测异常区域工作面煤壁及顶板控制效果，以长平矿III4312大采高综采工作面为背景，对工作面深孔注浆加固的工艺参数进行现场试验研究，为今后大采高工作面防片帮注浆加固工作提供参考借鉴。1工程概况长平煤矿III4312大采高综采工作面走向长为1715m，倾斜长220m，工作面开采3#煤层，煤层总厚度为5.52m（其中煤厚4.97m，泥岩夹层厚度0.55m）,上部较硬，下部质软。煤层倾角1°~7。，平均倾角4°,盖山厚度316-450m;基本顶为中粒砂岩，厚度为10.64m，直接顶为砂质泥岩，厚度为3.82m，直接底为泥岩，厚度为9.85m，基本底为粉砂岩，厚度为4.40m°H作面为三巷布置方式，整体东北高西南低，切眼北高南低，落差约18m。现场调研发现，工作面回采期间，由于煤体疏松、应力集中以及地质构造等因素的影响，工作面煤壁上方与顶板交界处易出现煤壁片帮现象，导致支架前方出现空顶，部分区域顶板破碎，出现漏顶现象，使工作面顶板管理难度加大。2注浆方案设计2.1槽波探测分析采用德国DMT生产的SummitHEx防爆槽波地震仪，对工作面进行透射探测，通过槽波的透射速度CT成像结果与三维地震资料、揭露的地质资料、无线电波透视成果及矿井瞬变电磁探测成果综合分析，对III4312工作面异常区范围进行标注，推断影响原因。本次工作面注浆加固试验范围为距切眼320m起至800m止，工作面异常区情况见表1。表1工作面异常区情况表异常编号横坐标/m纵坐标/m推断描述YC9699~838110~220断层或煤岩层破碎带YC11598~68556~155陷落柱，或YC9断层的延伸YC12458~5780-55SF143断层的延伸周边破碎区域YC14246~42596~220SF161、SF157断层的延伸，或者形成X型的节理，该区域可能弱富水图1钻孔布置示意图表2钻孔参数编号施工巷道钻孔深度/mYC943121上排下排钻孔位置开孔高度/m钻孔直径/mm施工角度/(°)距顶0.8距顶1.894940012012043121上排下排105105YC1243123上排下排9494距顶0.8距顶1.800YC1110510543123上排下排距顶1.6距顶3.19494557070YC1443121上排下排距顶1.6距顶3.1949455距顶0.8距顶1.89494001001002.2注浆方案设计根据槽波探测异常区情况，结合工作面地质条件，对YC9、YC11、YC12和YC144个异常区设计不同的钻孔施工区域和参数，在异常区影响区域巷帮布置上下2排钻孔，呈〃三花”布置，钻孔布置如图1,每排钻孔之间间距为10m,钻孔直径94mm，施工角度根据煤层倾角确定，钻孔深度根据槽波探测异常区影响范围确定，钻孔参数见表2。3注浆参数及工艺3.1注浆时机通过现场观测分析长平矿4304大采高工作面超前支承压力，可知：①原岩应力区为＞52m,弹性缓慢阶段为52~25m,弹性增强阶段为25~12m,塑性及破坏区破坏阶段为＜12m;②在距工作面25m时，支承压力迅速增加，距工作面12m位置达到峰值。原岩应力区煤体完整，裂隙不发育，煤体强度相对较高，注浆效果不明显；弹性增强阶段前部区域超前支承压力迅速升高，易使煤体已经张开的裂隙受支承压力的作用而再次闭合，浆液扩散范围有限。因此，选择在弹性增强阶段后部及弹性缓慢阶段和塑性及破坏区破坏阶段分别进行注浆试验。1） 弹性增强阶段后部及弹性缓慢区域，对距工作面20、25、30、35、40m5种情况的注浆量进行了统计（图2），可知随着钻孔距工作面距离的增大，注浆量先缓慢变小后迅速增大，之后又变小，最后趋于平稳，距工作面30m处为注浆量最大值，35m和40m注浆量接近，较20m和25m注浆量大。该区域注浆过程中工作面没有发现漏浆现象，巷帮局部区域轻微漏浆，可封堵。2） 塑性及破坏区域，对距工作面8、9、10、11、15m5种情况的注浆量进行统计（图3）,可知随着距工作面距离的增大，注浆量先迅速增大后趋于平缓，距工作面10m时注浆量达到峰值，之后注浆量降低，最后趋于平稳，9~15m注浆量较为接近。该区域注浆过程中巷帮没有发现漏浆现象，均是从工作面内漏浆，且漏浆量大，难以封堵。图2弹性区域注浆量统计图图3塑性及破坏阶段注浆量统计图对比分析以上2个区域注浆情况，可知塑性及破坏区煤体破碎、裂隙发育、注浆量大，注浆后能够加固煤体，提高破碎煤体强度，有效防止工作面煤壁片帮，但由于该区域距工作面较近，工作面漏浆严重，难以封堵，影响工作面生产，且注浆施工时间紧张，材料强度难以达到要求，易造成工作面脱浆。因此，分析认为距工作面30-40m为合理注浆区域，注浆施工跟随工作面回采同步进行。3.2注浆压力合理选择注浆压力是确保工作面深孔注浆加固效果的前提，注浆压力大小影响浆液的扩散半径，注浆压力达到一定值时，浆液会导通裂隙，裂隙充填效果好，提高煤体的整体承载能力，但注浆压力过大，超过一定值时，浆液又会劈裂完整煤体，从而降低煤体自身的承载能力。采用WQCZ-56型煤岩体强度测定装置，测得煤体强度平均值为14.57MPa，但由于工作面受到构造、应力叠加等因素影响，导致煤体实际强度低于测试平均值。现场施工中发现注浆压力达到10MPa时，煤体会发出劈裂声，注浆压力继续增大到12~14MPa巷帮煤体及锚杆、锚索孔均会出现漏浆现象，注浆压力随之下降，漏浆封堵后，注浆压力达到12~14MPa后会再次出现漏浆现象，试验注浆钻孔在施工中都会出现反复封堵反复漏浆现象。对弹性阶段和塑性及破坏阶段深孔注浆压力分别进行统计（图4）,可知：弹性阶段注浆压力集中在12MPa，塑性及破坏阶段注浆压力集中在12~14MPa。结合现场施工情况，在长平煤矿松软煤层地质条件下合理注浆压力为10-12MPa。图4深孔注浆钻孔注浆压力图3.3合理的封孔长度和堵漏方法封孔堵漏是保证注浆效果的重要因素，封孔长度受到围岩地质条件、支护设计参数等因素影响。长平矿巷道支护设计中锚索长6300mm，为防止注浆钻孔和锚索孔发生串孔现象，封孔长度不宜低于8m，现场施工中对8、10、12、16m分别进行试验。封孔长度为8m和10m时，注浆孔极易和锚索孔发生串孔，且巷帮漏浆严重；封孔长度为12m时，浆液串孔现象有所减少，但注浆压力达到8-10MPa巷帮漏浆现象仍然严重；封孔长度为16m时，巷道漏浆现象减少，采用间歇注浆和联邦注浆加固双液材料可有效封堵，注浆压力能到达到12-15MPa。3.4注浆材料及配比注浆材料的性能是决定注浆效果的关键，本次注浆采用联邦单液注浆材料是一种单液注浆加固材料，具有可注性强、流动性好、渗透性强、黏结性好等优点，结石体强度及充填率高，胶凝时间t为45min<t<240min,24h强度可达25MPa以上，3d强度可达35MPa以上，最终强度可达50MPa以上，设计水灰比为0.6:1。表3工作面煤壁片帮对比表不同深度片帮影响范围占比/%P<0.5m0.5m<P<1m1m<P<1.5m1.5m<P<2m2m<P<2.5mP>2.5m未注浆加固区注浆加固区片帮深度34.241.213.67.415.331.25.613.612.66.618.704注浆效果观测为考察大采高工作面深孔注浆的加固效果，对工作面未注浆区域和注浆加固区域煤壁片帮情况分别进行统计（表3）（P表示片帮深度）。由表3可见：①工作面未进行注浆加固区域，P>2m的片帮占比达到31.3%，进行深孔注浆加固区域，P>2m的片帮占比降到6.6%，且未出现P>2.5m的片帮现象；②注浆加固区域，1m<P<2m片帮占比为44.8%，而由未注浆加固区域，1m<P<2m片帮的占比为20.9%，且注浆加固区域，1m<P<1.5m的片帮占比达到31.2%明显大于未注浆加固区域；③注浆加固区和未注浆加固区相比，P<1m的占比变化不大，注浆加固区域P<0.5m的片帮占比亦明显大于未注浆加固区域。分析工作面片帮统计数据分析可知，P>2m的煤壁占比明显减少，且未出现P>2.5m的片帮现象，而1m<P<2m的占比明显增大，特别是1m<P<1.5m的片帮占比为未注浆区域的2倍以上，说明工作面进行深孔注浆加固后，影响工作面正常安全生产大深度片帮得到控制，煤体能有效粘结形成一个整体，从而控制煤壁稳定。5结论1）工作面超前支承压力的弹性增强阶段后部是工作面合理注浆加固区域，综合分析长平矿大采高工作面合理注浆区域为工作面前方30-40m，注浆施工跟随工作面回采同步进行。2）合理选择注浆压力是确保工作面深孔注浆加固效果的前提，通过现场注浆压力对比分析，结合煤体强度测试结果，确定在长平煤矿松软煤层地质条件下工作面异常区合理注浆压力为10~12MPa。3)对大采高工作面煤壁片帮统计分析，注浆加固区域P>2m的占比为6.6%,明显小于未注浆加固区域的31.3%，且P<1.5m的占比为79.8%，采用深孔注浆加固后大采高工作面煤壁片帮情况得到有效控制，保证工作面安全生产。【相关文献】［1］尹希文，闫少宏，安宇.大采高综采面煤壁片帮特征分析与应用［J］.采矿与安全工程学报，2008,25(2):222-225.［2］ 陈亮，孟祥瑞，高召宁，等.大采高综采工作面煤壁片帮机理分析［J］.煤炭科学技术，2011,39(5):18-24.［3］ 宁宇.大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术［J］.煤炭学报，2009,34(1):50-52.［4］ 袁永，屠世浩，马小涛，等."三软”大采高综采面煤壁稳定性及其控制研究［J］.采矿与安全工程学报，2012,29(1):21-25.［5］ 王兆会，杨敬虎，孟浩.大采高工作面过断层构造煤壁片帮机理及控制［」］.煤炭学报，2015,40(1):42-49.［6］ 周舟，张召干，袁博•软煤层大采高工作面煤壁片帮机理及防治