淮南矿业集团顾桥煤矿 安徽淮南市 232100
一、概述
顾桥矿1413（3）综采工作面位于南二采区东部，为南二采区的下盘区，东到系统巷道保护煤柱，南及西到FS69逆断层，北与1414（3）工作面采空区相邻。其北部的同煤层1414（3）工作面已回采完毕，其下伏的11-2煤层的1414（1）工作面及1413（1）工作面回采完毕，1413（3）下方的1413（3）瓦斯底抽巷已掘进完毕。该工作面的顶板为复合顶板，收作阶段处于FS69-1（∠15～30°H=1.5～2.5m）断层影响区域且由于1414（1）工作面回采结束导致1413（3）工作面中下部处于应力集中区，由于以上多重因素影响导致工作面顶板较为破碎漏矸不稳定、易片帮等，尤其在工作面中、下部情况较为严重，给工作面正常回采收作造成了一定程度上的影响，为提升破碎围岩段的物理力学性能，因此决定采用无机材料注浆加固技术，超前注浆提前加固破碎顶板。
二、理论基础
我国煤矿已经形成以煤岩体地质力学测试为基础、以锚固与注浆加固为核心的巷道支护成套技术，成为煤矿巷道首选的、高效的支护技术。对于围岩相对比较完整的巷道，高强度锚杆与锚索支护得到大面积推广应用，取得良好的技术经济效益；对于破碎围岩巷道，单独采用锚杆与锚索支护，由于锚固剂与破碎围岩的粘结性小，锚固力不能保证，锚杆与锚索的力学性能不能充分发挥。在这种条件下，注浆加固是巷道围岩控制的有效途径。
注浆是指采用物理或化学方法，将可以固化的液体材料通过注浆泵或其他手段注入到破碎岩体或存在缺陷的构筑物裂隙内，从而改善其物理力学性能的方法与过程。
注浆加固的目的：提高破碎围岩的强度和整体性，改变其力学性能，提升破碎煤岩体在回采过程中的稳定性，控制围岩变形与破坏，避免和减少破碎围岩造成的冒顶、片帮事故。
注浆理论：
多孔介质注浆理论：该理论假设浆液为牛顿体，黏度一定；浆液从注浆孔的底部注入岩土体，把注浆源假定为点源；同时假定被注介质为均质、各项同性，浆液在岩土体中呈球状扩散。
拟连续介质注浆理论：把岩体中的裂隙进行等效处理，假定浆液充满岩体裂隙进行流动，并根据裂隙的密度与数量进行平均分配，从而分析浆液的流动规律。
裂隙介质注浆理论：裂隙介质注浆理论假定浆液为牛顿流体或宾汉姆浆液，并将裂隙看成为单一裂隙，且裂隙面光滑、裂宽看成单一裂隙，且裂隙面光滑、裂宽一定、浆液在裂隙中的流动为层流，在这些架设基础上分析浆液流动。
三、设计及实际应用
1.1413（3）工作面采用深孔注浆对工作面停采线附近断层及复合顶板进行加固。
（1）轨顺在推尺1250m处施工两排顶板钻孔，共计8个，第一排在巷道上帮顶板向下1200m开孔，第二排在第一排向下500m开孔。
（2）运顺在退尺1300m处防火钻场内施工两排顶板钻孔，共计7个，第一排在上帮顶板向下1200mm开孔，第二排在第一排向下500mm开孔。
2.注浆孔孔径94mm，当钻孔长度≥100mm时，全程下6分镀锌铁管作为注浆管，当钻孔长度＜100mm时，全程下1寸镀锌铁管作为注浆管。注浆管前端2m为花管，封孔长度不低于20m，注浆压力15Mpa。
3.注浆孔终孔位置位于煤层顶板向上4-8m高度，当钻孔深度小于50m时，注浆孔终孔位置位于煤层顶板向上4m，当钻孔深度在50-80m之间时，注浆孔终孔位置位于煤层顶板向上6m；当钻孔深度大于80m时，注浆孔终孔位置位于煤层顶板向上8m。
4.注浆孔方位为注浆孔与轨运顺巷道掘进方向夹角。
该种注浆材料：由基料、粉煤灰和短切碳纤维（在常温下混合均匀可制得无机复合注浆材料）；按照水和干料质量比0.3～0.4：1混合搅拌均匀，即得无机复合注浆液。
材料特性：
1.注浆材料无毒、无味、无污染、无腐蚀性。
2.固化过程不产生高温、阻燃，注浆安全可靠。
3.注浆材料搅拌需水量少（为普通水泥注浆料加水量的30%左右），且24h泌水率为0。
4.研制的复合注浆材料28d单轴抗压强度不低于45MPa，抗折强度不低于7 MPa；残余抗压强度较常规PO42.5水泥提高30%以上（20-25 MPa）；无机加固材料和煤体的粘结性好，解决在采煤过程中出现的片帮、冒顶现象，使生产更加安全可靠。
5.初凝时间长（>5h），流动性好，渗透性强；大压力、大流量条件下可完成远距离（>150m）深孔预注浆，实现对破碎带或断层的超前加固。
6.该无机复合注浆材料成本低（为普通化学注浆材料价格的30%左右），工程应用经济性强。
优化加固步骤，减少反复作业，优化作业时长。①注浆可在两巷进行提前组建加固，不耽误工作面割煤，优化作业工序，同时进行，省去了后期停机加固步骤，大大节省了作业时间及人力物力；②当工作面注浆时，则在顶板破碎处进行打钻注浆加固，平均影响时长约1.5h，但加固区域则可达10m左右退尺，而无需在后续进行进一步加固，大大优化了作业工序。
加固效果显著，顶板整体性增强，强度增大。传统加固工艺，仅能对工作面某一点进行加固，且加固存在空隙，加固不完全，而新工艺则可覆盖到面，因浆液会在煤岩体裂隙中进行扩散，进而形成扩散半径，影响范围较广。通过1413（3）工作面注浆后观测可发现，注浆区域内部分裂隙充填饱满，粘结性强。浆液扩散能力强，扩散半径大，钻孔间能形成完整的交圈范围，提高了顶板的整体性。回采工作面通过该区域时可发现，围岩稳定，没有出现冒顶、片帮现象，并能观测到明显的白色浆液痕迹，达到预期目标。
五、经济社会效益
无机材料注浆加固技术，不仅能极大提高工作面的安全性，而且提高生产效率，创造可观的经济效益。
（一）安全效益
因注浆加固技术相较于传统加固工艺有着一次性加固区域范围大，强化效果良好等特点，减少人员进入煤壁作业的频次，且因加固效果良好，大大降低了片帮冒顶伤人风险，起到了很好的安全效益。
（二）生产效益
生产效益主要体现在三个方面，一是提升围岩结构面的刚度和强度，二是充实压密裂隙，提升围岩强度，三是注浆封闭水源，隔绝空气，避免围岩因水影响的强度降低，也减少了因煤层风化造成的强度降低，一次性充填区域较广，且可以提前在两巷进行填充，增加了工作面回采的效率。
论文作者:易厚,郑磊,王彬
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年15期
论文发表时间:2019/10/28
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