山东华泰矿业有限公司 山东莱芜 271106
摘要：高应力破碎顶板综采工作面顶板难以控制，片帮漏顶严重制约正常生产。生产过程中除了应用防片帮漏顶的传统方法外，为提高煤层整体稳定，确定煤层注浆的技术方案，并针对现场实践中遇到的问题，提出深孔注浆与短壁注水相结合的方法，可使煤层形成较硬的胶结层，煤层顶板稳定性显著提高，工作面开机率由原来的18%提高到52%。
关键词：深孔注浆；短壁注水；大倾角破碎顶板采煤工作面
华泰矿业主采煤层为15层煤，顶板破碎，底板松软，属于大倾角、大埋深的“双大”煤层。随着采煤工作面采高的加大，煤壁发生片帮的概率也随之增大，煤壁片帮后引起端面漏顶，导致顶板条件恶化，进而引起顶板事故，给综采工作面正常生产带来很大影响。因此，提高煤体的硬度系数，增强煤体的受压强度，是影响华泰矿业安全生产的关键。
1 工程概况
31511西工作面为三采区十五层煤西翼第11阶段。工作面标高为－717.5m～－923.48m，平均走向长度为950m，平均倾斜宽为160m，面积125444m2。平均煤厚度1.8m，容重1.35t/m3，平均倾角34°，回收率95％，可采储量28.9万吨。采用综合机械化采煤。MG2x160/710-AWD(1.14kV)型电牵引采煤机落煤、装煤，SGZ-630/264-W型刮板输送机运煤，ZY3400/14/32掩护型支架支护顶板。由于工作面倾角大，顶板压力大，轨道巷采用留设6米宽的煤柱进行留巷。工作面推采至上巷9号点处即将揭露f3 h=2.1∠30°f2 h=0.8∠70° f1 h=1.6∠65°三条断层，受断层影响顶板破碎，机道频繁出现漏矸、轨道巷巷道变形量大。如图所示
2 煤层注浆原理
相关研究表明控制松散端面冒顶的传统方法有：提高支架初撑力和工作阻力；严格控制机采高度和割煤质量；及时移架，合理侧护帮；加快工作面推进速度等技术措施。在31511西工作面推采过程中除实施以上技术措施外，重点对煤层注浆进行了实验研究。合理的煤层注浆可增加煤体的水分和颗粒之间的黏聚力，降低煤的脆性，增加煤壁及顶板的整体性延缓煤壁的片帮漏顶，给工作面一定的拉架时间，有效的控制煤壁及梁端顶板的片帮冒落，同时由于煤体含水率的增大，有效的降低回采过程中工作面的煤尘，煤层注浆可分为两个阶段；首先采用高压扩充渗透通道空间及广度，形成疏水和注水空间，然后通过中低压靠煤体细微孔隙的毛细作用逐渐吸附水分构成“补给-湿润吸附”的过程。结合15层煤的结构特点和组成成分，煤体中含有大量的黏性矿物，其颗粒非常小，表面积很大，能吸附大量的水分子，而且根据煤层组成分析，其结构复杂，含有15层与16层煤间夹矸，遇水容易胶结，使矿物质与煤体在大量吸收水分后，在矿山压力和超前支撑压力的作用下煤体显著增加，形成不易脱落的再生顶板。
3 煤层注浆实施方案
3.1工作面上端头短壁注水
在工作面推采至上巷揭露的断层62米影响范围内，根据工作面上端头顶板破碎程度和煤壁片帮范围，按照孔距3m进行钻孔，弹孔深度2m，垂直于工作面布置。
31511西工作面上端头频繁揭露断层，是片帮较严重的区域，向煤壁交替注浆能够有效的处理大倾角破碎顶板冒顶事故、防止煤壁片帮发生。根据煤壁松散程度及顶板破碎情况，采取煤壁胶结不片帮原则、上端头煤壁合理布置注射孔。如图所示，弹孔深度2m左右，布置在煤壁腰线位置，封孔深度1m，孔距2-3m，每孔定量注射，注射完后，正常推进1m，后交错布孔继续注射，循环推进过程中，根据片帮程度逐渐增减孔数及注射量。
3.2工作面上平巷下帮煤层深孔高压注浆
上巷揭露的断层影响范围为（从9号导线点到7号导线点）长度为62米，眼距10米平行于工作面布置，预计打眼6个。
打钻使用ZJD－150型液压钻机，钻杆直径为Φ42mm，钻头直径为Φ125mm及Φ89mm。钻机采用地锚固定。开钻时用Ф89mm的钻头进行开孔，钻孔设计深度55m。自上巷9号点向煤壁每10m，打设一个。钻孔注浆使用ZBSB-52～8/10-15双液注浆机，注水泥浆液及水玻璃，浆液配比（质量比）水：水泥：水玻璃=1：1.5：1。
施工顺序:注浆时将注浆机输料管插头插在注浆管，并检验是否牢固，将吸浆管笼头放在装有水泥浆及水玻璃的铁桶内，由一名有经验的司机开机，司机必须随时观察压力表读数。注浆工作要反复进行，不得少于三次，直至不进浆液为止。如果跑浆严重，用水泥封堵跑浆地点，并适当加大浆液浓度，直到不跑浆为止。每孔注浆前要用清水预注，注浆后要用清水冲洗管子内壁。
分阶段选择注浆压力。由深孔高压注浆机理可知，在煤层深孔注浆的初期是压裂为主，后期以润湿和粘结为主。在压裂阶段，注水压力主要取决于煤体的抗压强度极限与上覆岩层的压力之和，压力一定时才能使煤体原生裂隙扩大和层理加宽。31511西工作面埋深1019m。初步分析上覆岩层压力为4-6MPa，因此初期注水压力不小于4MPa，考虑到管路压力损失，注水泵压力设定为5MPa。注入后期主要是湿润和提高黏结性为主，注入浆体通过裂隙与煤体的矿物质发生化学作用阶段，破碎煤体的粘结性、整体性得到增强，后期注水压力设定为3MPa。
改善钻孔施工机具，提高钻孔施工深度。煤层注水钻孔深度取决于工作面长度、煤层透水性及钻孔方向。钻孔深度应不小于工作面斜长的1/3，31511西工作面斜长160m，钻孔深度将达到55m,但实际钻孔深度仅达到40m,小于设计长度，这是由于复杂结构破碎顶板条件下，选用圆钻杆水排煤粉方生塌孔卡钻事故频繁，成孔率低。圆钻杆由于有限的排渣空间，不能有效将产生的过量煤渣及时排出，导致过量煤渣阻塞钻孔。且15层煤结构复杂，含有多层泥岩夹矸，在水的冲刷下，泥岩吸水软化膨胀垮落，易造成卡钻事故。针对于当前施工机具在使用过程中存在的问题，结合15层煤开采条件，提出使用六棱钻杆施工，增肌煤粉排泄空间、在钻杆转动过程中六条棱将煤粉再次粉碎，颗粒更小，更易排出。采用压风作为冷却和冲洗介质，并配备孔口除尘装置，降低作业场所煤粉浓度。
4 效果分析
⑴通过使用局部短壁注水和超前高压深孔注浆的方法，工作面煤壁充分湿润，降尘效果十分明显，且在顶梁1.5米范围内能形成较硬的粘结层，煤机割煤后煤壁基本不片帮漏顶，缩短了维护顶板时间，节省了人工维护顶板的材料费用，采煤机开机率由原来的18%提高到52%，经济效益和安全效益显著。
⑵矿压观测留巷段巷道变形量分析
一号十字布点观测站位于工作面10号导线点与9号导线点之间（未进行高压深孔注浆）观测期内两帮移近93mm，平均移近速度1.1mm/d，顶底板移近78mm，平均移近速度1.7mm/d，巷道两帮变形较小，有轻微底鼓现象，需起底处理。二号十字布点观测站位于高压深孔注浆范围内，观测期内两帮移近68mm，平均移近速度1.8mm/d，顶底板移近49mm，平均移近速度1.2mm/d，巷道形状变形不明显。说明实施超前高压深孔注浆后对顶板起到了支撑作用，压力减小了。下图为十字布点围岩变化图。
5 结论
短壁注水技术具有成本低、操作简单，节省材料，工人劳动强度低，粘结效果良好等特点。该技术的应用，使工作面上端头和局部的顶板得到了有效控制，保证了安全生产。
深孔注浆采用圆钻杆在三软煤层中进行施工钻孔，塌孔卡钻事故频繁，为有效增加钻杆排粉能力，选择六棱钻杆，可大幅度提高钻进深度。注浆时，采用分阶段注水压力，提高破碎煤体的粘结性、整体性。
对破碎煤层顶板工作面使用局部短壁注水、超前高压深孔注浆工艺，可使煤体有效固结，防止煤壁片帮漏顶，大幅度提高工作面推进速度，降低材料损耗和工人劳动强度，在三软煤层、破碎顶板采煤工作面有很好的推广应用价值。
论文作者:何葛 杨永峰
论文发表刊物:《基层建设》2017年1期
论文发表时间:2017/4/12
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