超前深孔注浆在复合顶板工作面顶板管理中应用.pdf

总第2 15 期2023年第10 期工程技术超前深孔注浆在复合顶板工作面顶板管理中应用王路飞（汾西矿业集团正新煤焦有限责任公司和善煤矿，山西沁源0 46 5 0 0）摘要：2 0 2 0 3 综采工作面开切眼前方2 0 0 m范围内煤层顶板为复合顶板，回采面临较为严重的煤壁片帮、冒顶问题。为此提出将超前深孔注浆应用到采面顶板管理中，提高复合顶板区域内煤体、顶板强度。结合2 0 2 0 3 综采工作面现场情况，提出在回采巷道超前采面2 0 5 5 m范围内布置超前深孔注浆钻孔，钻孔10 0 m，实现煤层及上覆复合顶板加固；注浆浆液选用超细水泥浆，浆液胶结后可显著提高煤岩体强度。现场应用后，2 0 2 0 3 综采工作面在复合顶板区域内回采时片帮及冒顶问题得以解决,采面可保持4.8 m/d回采速度,现场应用取得较为显著的顶管管理效果。关键词：煤炭开采；复合顶板；顶管管理；超前深孔注浆；片帮中图分类号：TD327.3文献标识码：A1工程概况案1的煤体强度保持一致，但是方案5 的顶板强度较山西某矿2 0 2 0 3 综采工作面回采2#煤层，煤厚方案1时提高5 0%。在模拟模型上界面施加3.1MPa3.21m、埋深2 15 m、倾角2 10，煤层中部夹杂竖向应力，具体不同模拟方案得到的采面围岩塑性区12层炭质泥岩夹，厚度合计0.15 0.3 5 m。2 0 2 0 3分布情况，如图1所示，围岩破坏深度统计结果，如综采工作面设计推进长度16 8 0 m，采面斜长2 0 0 m，表2 所示。采面采用U型通风方式，供风量为15 8 0 m/min，回采巷道均为矩形断面,净宽净高=4.9 m2.6m。20203综采工作面在开切眼前方0 2 0 0 m范围内为复合顶板，顶板由1 2 m厚泥岩、0.3 m厚不稳定煤层组成。由于复合顶板承载能力低、采面在复合顶板下回采时，在采动影响下容易出现垮落、离层等情况,采面频繁出现冒顶、片帮等问题。2采面顶板冒顶问题2.1现场观测分析在2 0 2 0 3 综采工作面回采期间,对采面顶板进行跟踪观测,发现采面煤壁片帮、顶板冒顶有一定顺序，采面片帮后煤壁对顶板支撑效果降低，加之顶板自身强度及承载能力偏低，导致局部冒顶事故发生；液压支架移架后，受顶板冒顶影响导致直接顶梁无法接顶，支架支柱阻力无法有效控制顶板变形,进一步导致顶板冒落影响扩大-3 。煤壁片帮是导致顶板冒落的主要诱因之一,复合顶板承载能力差、软弱且破碎，一般失去煤壁支撑容易导致冒顶事故。因此，解决冒顶事故、强化顶板时，需提高煤壁稳定性，只有避免煤壁片帮才可给采面顶板足够的而支撑作用力，确保顶板稳定。2.2模拟分析影响复合顶板稳定的因素主要为煤壁片帮、顶板岩体自身稳定性，煤壁片帮与采高、煤体强度密切相关。通过FLAC软件分析煤体强度对煤壁片帮影响，具体构建的模拟方案技术参数,如表1所示。方案1一方案4条件下煤体强度呈逐渐增加趋势，方案5 与方收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 3作者简介：王路飞，男，19 8 6 年出生，毕业于东北大学，本科，工程师，从事煤矿采煤技术研究工作。山西化工Shanxi Chemical Industry方案编号/CPa10.321.332.343.35煤体参数与方案1保持一致,顶板强度增加1倍INoneshear-n shear-pshear-n shear-p tension-pshear-pshear-ptension-pItension-n tension-p1-3 方案 3 表2 不同模拟方案围岩破碎深度统计结果方案编号顶板破坏深度/m17.325.834.243.456.5Total 215No.10,2023D0I:10.16525/14-1109/tq.2023.10.071文章编号：10 0 4-7 0 5 0(2 0 2 3)10-0 17 1-0 2表1模拟参数及方案剪切模量体积模量内摩擦角/容重/黏聚力/GPa(）6.8137.5168.8199.7221-1 方案 11-4 方案 4图1，模拟结果(kgm)12501250125012501-2 方案 2 1-5方案5煤壁破坏深度/m3.62.41.91.87.0/MPa5.56.57.58.5山西化工 第43 卷从图1及表2 得知，随着煤体强度增加，煤体及顶板塑性区分布范围呈明显降低，围岩稳定性改善效果较为显著；随着顶板强度增加(对比方案1及方案5),煤壁及顶板破坏深度均未呈现明显变化。数值模拟结果与现场观测结果一致，提高采面顶板稳定的关键在于实现采面煤壁稳定。2 0 2 0 3 综采工作面采高为3.21m，通过降低采高来提高煤壁、顶板稳定性，会存在煤炭资源浪费、采收率低以及经济成本偏高等问题。为此提出采用注浆技术手段实现复合顶板区域内超前深孔注浆，提高复合顶板影响范围内煤体强度，为给2 0 2 0 3 综采工作面回采创造稳定环境。3超前深孔注浆方案3.1注浆钻孔布置方案从上文分析得出，提高煤体强度是实现顶板高效管理的关键，因此注浆钻孔应尽量布置在煤壁中，提升煤体强度，同时布置的注浆钻孔应兼顾顶板稳定性，通过注浆充填复合顶板裂隙，提高顶板稳定性及整体强度,以便达到更好的顶板管理效果 4-7 。20203综采工作面回采范围内2#煤层倾角较小、为近水平煤层，可在采面回采巷道内布置钻场提前对煤体进行加固,采面进风巷及回风巷内钻场布置方式相同,具体布置,如图2 所示。顶板1#上排钻孔5m5 m下排钻孔2#注浆钻孔2#2-1平面图夹研100m60100m152-2剖面图图2 注浆钻孔布置示意图注浆孔开孔均靠近巷道顶板，其中下排钻孔开孔距巷道底板1.5 m、钻孔仰角5,钻孔孔深10 0 m、孔间距10 m，钻孔终孔位于煤层与顶板交界位置，下排钻孔主要起到提高煤体强度目的；上排钻孔开孔与巷道底板间距为2.5 m、钻孔仰角6，钻孔孔深10 0 m、孔间距10 m，钻孔终孔位于煤层顶板上，上排钻孔主要起到提高煤层上覆复合顶板稳定性及承载能力目的。超前注浆钻孔孔径统一均为8 8 mm。3.2注浆时机通过对2 0 2 0 3 综采工作面回采期间矿压监测分析发现，回采引起的超前支承压力影响范围约为55m，支承压力峰值位于采前前方8 m位置，其中采面前方2 0 m范围为剧烈影响区。依据采面矿压显现情况以及煤体内裂隙发育情况，对采面煤体可注性进行分析，具体结果,如表3 所示。表3 煤体可注性分析结果编号范围/m该区域受采动压力影煤体破碎且裂隙与采面贯通，注1052520力影响显著，裂发育于此区域位于超前支护区，注浆程度中等空间受限，注浆与超前支护工作间会产生一定影响此区域部分裂隙发育且部分贯通，注浆时浆液不容易漏浆；同该区域受超前支承压时此区域位于超前支护范围以32055力影响，裂隙扩展，煤体结构完整该区域基本不受超前此区域内原岩应力区，裂隙不发455m以外支承压力影响，裂隙不育，浆液注浆效果较差发育综合表2 结果以及2 0 2 0 3 综采工作面现场情况，认为将超前深孔注浆钻孔布置在采面前方2 0 5 5 m范围内较为合理。采面前方2 0 5 5 m范围不会给采面回采以及超前支护工作开展带来影响，时煤体内裂隙发育，可在一定程度提高注浆效果。3.3注浆材料注浆材料选用超细水泥类材料，注浆材料水灰比控制在0.5：1且充分混合搅拌后,浆液在前1h内有较好的流动性，随后开始固结；3 h后浆液完全失去流动性;10 h后浆液完成固结,且固结强度可达到12 MPa13#5m5#4#裂隙发育情况响，裂隙高度发育、煤浆存在浆液漏浆严重问题，同时体破坏严重注浆对采面回采有一定影响此区域裂隙发育、裂隙贯通，注该区域受超前支承压浆时漏浆问题较为突出，同时由外，注浆设备易于布置，同时注浆不会给巷道超前支护、采面回采等带来影响以上。在2 0 2 0 3 综采工作面选用的细水泥类材料具有流通性好、细度高(可注性强)以及胶结强度高等优点，具体优势为：1)注浆材料流动性好。注浆材料在注浆孔、裂隙中充分流动，胶结时间长，可满足深孔长时间注浆需要，同时注浆材料渗透性较好，有效扩展范围可达到8m以上。2)细度高（可注性强）。注浆材料颗粒粒径在5.5m,注浆材料细度高,可在煤体及顶板细小裂隙中扩散，从而可较好的充填煤岩体裂隙。3)胶结强度高。注浆材料胶结8 h、2 d、4d、7 d 后强度即可达到12、18、2 4、3 4MPa，注浆材料早期强度增长速度快、胶结强度高，可实现煤岩体有效加固，显著复合顶板范围内煤岩体稳定性。4现场应用效果分析20203综采工作面（未超前注浆）在开切眼前方50m范围内回采时，曾多次出现片帮、漏顶情况,其中片帮最大深度达到1.8 m、漏顶最大高度为1.3 m，片帮及漏顶严重影响采面生产，虽然采用挂网、打玻璃钢锚杆等措施治理片帮、强化顶板管理,但是效果不佳，采面推进速度仅为2.4m/d。在2 0 2 0 3 综采工作面开切眼前方5 0 2 0 0 m范围(下转第17 5 页）浆液可注性2023 年第10 期2申晓勇.煤矿采煤生产中的防尘管理与技术策略 J.矿业装备，2021(3):104-105.Discussion on Several Dust Prevention and Reduction Technologies in Coal Mine Safety(Shanxi Xinjing Mining and Coal Industry Co.,Ltd.,Yangquan Shanxi 045000,China)Abstract:Dust is the most common substance in coal mine production,and the accumulation of a large amount of dust in narrow andunventilated tunnels is also an important cause of occupational diseases in coal mines.Therefore,dust prevention and control technologyhas become an important content in coal mine safety production.The presence of a large amount of dust is not only detrimental to theoperation of excavation facilities,but also poses a threat to the physical health of workers,and even triggers mining accidents.This articleelaborates on the hazards of coal mine dust and explores several current coal mine dust prevention and reduction technologies to promotecoal mine production safety.Key words:coal mine;safety production;dust prevention and reduction(上接第 17 2 页)内采用注浆对煤体及顶板进行加固，具体超前采面2055m内布置超前深孔注浆孔，可实现复合顶板影响范围内煤体以及顶板加固。采面在注浆加固区内回采时，煤壁及顶板基本保持稳定，仅局部位置出现小范围片帮、漏顶情况，其中片帮最大深度控制在500mm,期间未有冒顶征兆或者冒顶问题发生,顶板控制取得较为显著效果。2 0 2 0 3 综采工作面在复合顶板区域内回采时推进速度保持4.8 m/d，实现了安全快速回采。5结语依据2 0 2 0 3 综采工作面现场地质条件，通过现场分析以及数值模拟分析发现，导致采面顶板冒顶的主要诱因是煤壁片帮。为此，提出采用深孔注浆方式提高煤体、复合顶板稳定性及强度，布置的超前深孔注浆钻孔可兼顾煤体、顶板加固，同时将在超前采面2055m范围注浆，充分利用超前支承压力对煤体及顶板裂隙发育影响,提高注浆可注性及注浆效果。Application of Advanced Deep Hole Grouting in Roof Management of Composite Roof(Heshan Coal Mine,Fenxi Mining Industry Group Zhengxin Coal Coke Co.,Ltd.,Qinyuan Shanxi 046500,Abstract:The coal seam roof within 200 meters of the opening of the 20203 fully mechanized mining face is a composite roof,which facesserious problems of coal wall spalling and roof fall during mining.Therefore,it is proposed to apply advanced deep hole grouting to themanagement of mining face roof to improve the strength of coal and roof in the composite roof area.Based on the on-site situation of the20203 fully mechanized mining face,it is proposed to arrange advanced deep hole grouting drlling within the range of 2055 meters of theadvance mining face in the mining roadway,with a drilling depth of 100 meters,to achieve reinforcement of the coal seam and the overlyingcomposite roof.The slurry used for grouting is ultrafine cement slurry,which can significantly improve the strength of coal and rock massafter being cemented.After on-site application,the problems of wall spalling and roof fall during mining in the composite roof area of the20203 fully mechanized mining face have been solved,and the mining face can maintain a mining speed of 4.8 m/d.The on-siteapplication has achieved significant pipe jacking management effects.Key words:coal mining;composite roof slab;top pipe management;advance deep hole grouting;slice gang赵毅龙：关于几种煤矿安全生产防尘降尘技术的探讨ProductionZhao Yilong采时，煤壁大范围片帮问题得以有效解决,基本不出现顶板冒落问题,提高了复合顶板管理效果为采面安全高效回采创造良好条件。参考文献1】岳阳.红柳煤矿10 2 0 3 0 8 工作面回风巷围岩稳定性分析及支护技术研究 D.徐州：中国矿业大学,2 0 2 1.2张钰.复合顶板条件下工作面过陷落柱矿压显现规律研究 D.贵阳：贵州大学,2 0 2 1.3 刘治成，朱磊，刘永强.大跨度复合顶板开切眼变形特征及控制技术 J.煤矿安全,2 0 2 0,5 1(11)：8 3-8 8.4刘司伟.巷道复合顶板变形失稳影响因素敏感性分析及围岩控制技术研究 D.重庆：重庆大学,2 0 19.5边强，金煜皓.综采工作面复合顶板失稳机理及深孔注浆控制技术 J.煤炭科学技术,2 0 18,46(8):5 7-6 2.6 苏帅.大倾角复合顶板煤巷支护技术研究与应用 D.淮南：安徽理工大学,2 0 18.7曾赤.煤矿复合顶板巷道冒顶机理及防控研究 D.湘潭：湖南科技大学,2 0 15.Working FaceWang LufeiChina)1753候小三,李连祥.煤矿采煤生产中的防尘管理与技术策略研究 J当代化工研究,2 0 2 1(15)：9 5-9 6.现场应用后,采面在超前深孔注浆加固区域内回