注浆加固技术在破碎顶板治理中的应用

朱少杰

(山西煤炭运销集团 盛泰煤业有限公司，山西 高平 048400)

在工作面回采过程中常常会遇到断层、陷落柱等特殊的地质构造，受这些特殊地质构造的影响，其周围煤岩体特性发生了改变，煤岩体强度下降，加之采动或外力的影响使煤岩体发生了破碎[1-2]。尤其出现在工作面顶板附近时，破碎的顶板导致整个采场围岩稳定性下降，承载能力不足，常常发生顶板冒落，甚至造成冒顶事故，严重影响矿井的安全生产[3-4]。本文针对盛泰煤业15201综采工作面顶板破碎的问题，通过采用工作面煤壁预注浆技术，使得采场围岩稳定性增加，保证了矿井安全生产。

1 工程概况

盛泰煤业位于山西省高平市陈区镇，隶属于晋能集团晋城有限公司，井田面积14.554 1 km2，主要开采3号、15号煤层，现开采15号煤层，煤层厚度2.8～4.1 m，平均厚度3.5 m，平均倾角3.5°，设计生产能力120万t/a。15201工作面位于二采区中部，工作面推进长2 620 m，切眼长200 m，采用综合机械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理顶板。

工作面回采至600 m时，110号支架开始向机尾顶板有1层厚夹矸，为灰黑色泥岩，延伸至126号架时为2 m厚，根据现场实际揭露判断，为落差3 m的逆断层，机尾段G4号架至回风巷为上盘，126～110号架位置为下盘，本段留有底煤，如图1所示。由于126～G6号架顶板破碎、漏矸，导致支架错差较大，倾斜严重、出现咬架情况，现场决定采用注浆加固的方法对工作面破碎段进行治理。

图1 15201 综采工作面破碎段示意

2 破碎区域注浆加固机理

由于破碎区域存在于工作面煤壁，生产期间垮落的矸石胶结性差，生产过程中随采随冒，严重影响正常的生产作业。因此需要对工作面煤壁顶板进行预注浆加固，通过预注浆液扩散到破碎矸石裂隙内，达到一定时间后，浆液会将破碎区域内的矸石胶结在一起，而且注浆材料注入顶板岩层后，渗透进细小的裂缝膨胀，产生二次压力，将破碎区域内的矸石更好地胶结为一个整体，对工作面破碎顶板起到有效的固结作用，有利于采煤机滚筒切割之后及时的支护作业。

3 注浆参数确定

3.1 注浆材料的选择

根据工作面煤壁、顶板破碎煤岩体的赋存特征和采煤工艺要求，选择化学注浆加固材料。化学浆材料是一种高分子聚合物，具有较好的渗透性、较高的粘合力和较强的机械性能[5]。该材料由A、B两种组分组成，比例按照1∶1进行配比，并通过实验室对材料水灰比进行测试，选择水灰比1∶1的材料进行注浆。

3.2 注浆钻孔布置

根据破碎区的影响范围，结合现场生产组织，将注浆孔深度确定为5.0 m，角度为斜向顶板15～30°，孔间距3 000 mm，开孔位置位于顶板下方1 000～1 500 mm处。每两架液压支架布置1个钻孔，共布置1排钻孔，如图2所示，采用打一孔注一孔的方式进行注浆，直至将破碎区域所有孔注完再进行生产，按照 “注浆—生产—注浆”的循环方式进行组织。

图2 注浆孔布置示意(mm)

3.3 钻孔施工

由于工作面超前应力及二次采动影响，顶板较为破碎，尤其工作面来压期间。在打钻施工过程中易出现卡钻等现象，为了保证顺利注浆，在打钻过程中采用了分段成孔工艺。

1) 注浆打孔采用直径为42 mm钻头钻进3 m，退钻，下套管(注浆管2 m，花管1 m)，于1.5～2 m处上封孔器，封孔器直径为38 mm，套筒外端焊高压法兰，套筒示意见图3。

图3 套管示意

2) 连接好法兰进行第一次注浆，主要加固孔口破碎区域内矸石，保证注浆压力，尽可能保证浆液渗入到孔口破坏区域矸石裂隙间，达到注浆效果，封孔。

3) 封孔1 h后，打开法兰，继续钻孔，直至达到5 m为止。钻孔过程中遇到卡钻等问题时，及时退钻，合上法兰，重新注浆，注浆结束后，继续钻孔。

4) 钻孔达到设计深度后，连接管路进行注浆。

3.4 注浆工艺

注浆采用2ZBQ-6/12气动高压双液注浆泵和QB500型气动搅拌桶进行注浆。将A、B料运至注浆泵进料口，距泵体1 m处，并将吸料管插入料桶中底部。A料气动阀门打开，当A料在出料管口流出的时候关闭气动阀门，开启B料气动阀门，当B料流出的时候关闭B料阀门，然后同时开启A、B料气动阀门调试A、B料的流量，比例控制在1∶1，在调试比例的时候A、B料流入固定的容器中，当比例调试稳定后，关闭A、B气动阀。按照水灰比1∶1将注浆材料在搅拌桶内搅拌均匀，然后将配比好的浆液利用注浆泵注入注浆孔内，注浆过程中要保证压力，使得浆液能充分渗透到破碎矸石裂隙之间。注浆结束后，待50～60 s观察浆液凝固效果及加固效果。

4 注浆效果分析

为了验证注浆效果，特对距工作面煤壁不同距离处，注浆前后顶板下沉量及超前支撑应力进行了对比分析。图4为距工作面煤壁不同距离处注浆前后顶板下沉量变化。由图4可知，随距离工作面煤壁距离增加，顶板下沉量也在增加，但是注浆后顶板下沉量明显降低，距离工作面煤壁12 m处注浆前顶板下沉量为401 mm，注浆后为210 mm，下降了47.6%。注浆后顶板稳定性明显增加。

图4 距煤壁不同距离处注浆前后顶板下沉量变化

图5为距煤壁不同距离处注浆前后超前支撑应力变化，由图5可以看出，注浆前后，工作面超前支撑应力明显下降，注浆前超前支撑应力最大值为25.3 MPa，注浆后超前支撑应力最大值为20.6 MPa。超前支撑压力降低了18.6%。

图5 距煤壁不同距离处注浆前后超前支撑压力变化

5 结 语

通过对工作面破碎段采用注浆加固技术后，围岩稳定性明显提升，承载能力明显增加，顶板管控质量明显提高，为矿井安全生产创造了良好的条件。