郭相平，徐慧剛，付書俊

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京 100013； 2.山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400；3.華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000)

煤巖互層復(fù)合頂板由多個單獨(dú)的軟、弱、薄煤巖層相間組成，各煤巖層之間有極薄弱的光滑面，導(dǎo)致黏結(jié)力較弱甚至無黏結(jié)力，與普通完整的煤巖層相比，其致災(zāi)機(jī)理與控制機(jī)制存在較大差異[1-4]。為此，學(xué)者們針對煤巖互層復(fù)合頂板災(zāi)害治理進(jìn)行了諸多探索。路之浩等研究了復(fù)合頂板條件下工作面頂板圍巖的破壞機(jī)理及支護(hù)體系，得到了工作面頂板連鎖失穩(wěn)及破壞機(jī)理[5]；高永剛等認(rèn)為在復(fù)合頂板條件下，當(dāng)形成大面積采空區(qū)時，采空區(qū)上方的高位頂板會形成聯(lián)動效應(yīng)，增大了復(fù)合頂板對工作面的沖擊危險性[6]；楊繼強(qiáng)等對不同夾矸厚度條件下沿空煤巷復(fù)合頂板的應(yīng)力分布及位移變化進(jìn)行了研究，并提出了錨桿配合等長錨索支護(hù)巷道的技術(shù)[7]；劉學(xué)曄等針對復(fù)合頂板離層破壞難題，提出了“注漿加固形成復(fù)合頂板多介質(zhì)結(jié)構(gòu)+注漿錨桿錨索協(xié)同控制”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[8]；陳虎等建立了復(fù)合頂板錨桿受力模型，研究了復(fù)合頂板條件下錨桿軸力、剪切位移及剪切應(yīng)力的分布特征[9]；展勤建等研究了復(fù)合頂板下孤島工作面沿空掘巷窄煤柱的寬度，提出了錨索梁鋼帶+強(qiáng)力注漿聯(lián)合控制技術(shù)[10]。

上述學(xué)者豐富了煤巖互層復(fù)合頂板控制的研究成果，對指導(dǎo)此類頂板條件下的工作面安全回采具有重要意義。新元煤礦9104工作面頂板類型為煤巖互層復(fù)合頂板，在工作面推進(jìn)過程中其上方頂板出現(xiàn)破碎松散、離層脫落、整體漏矸嚴(yán)重甚至大面積冒頂?shù)痊F(xiàn)象，嚴(yán)重影響到人員安全、工作面回采速度及煤礦經(jīng)濟(jì)效益。工作面頂板安全穩(wěn)定是保證工作面正常開采的前提條件[11-14]，為此，筆者以上述研究為基礎(chǔ)，基于工作面復(fù)合頂板分區(qū)、分重點(diǎn)加固的治理思路，研究工作面煤巖互層復(fù)合頂板失穩(wěn)破壞機(jī)理，提出在回風(fēng)巷進(jìn)行“兩深孔、一淺孔、兩材料、三區(qū)域”的分區(qū)復(fù)合超前預(yù)注漿協(xié)同加固技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)工作面以正常速度安全回采。

1 工程概況

新元煤礦9#煤層平均厚度為3.05 m，平均傾角為5°，其頂板上方8 m范圍內(nèi)無穩(wěn)定的較厚較硬巖層，屬于典型的煤巖互層復(fù)合頂板賦存條件。9104工作面煤巖層賦存情況如圖1所示。

圖1 9104工作面地質(zhì)柱狀圖

新元煤礦9104工作面走向長1 217.4 m，傾斜長230.8 m。9104低抽巷與9104回風(fēng)巷水平距離約為25 m，距9#煤頂板3～8 m。9104工作面位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 9104工作面位置關(guān)系示意圖

2 工作面煤巖互層復(fù)合頂板破壞機(jī)理分析

2.1 煤巖互層復(fù)合頂板地質(zhì)環(huán)境

9104工作面煤層上方頂板8 m范圍內(nèi)為典型的煤巖互層復(fù)合頂板賦存環(huán)境，該區(qū)域內(nèi)的各巖層具有軟、弱、薄等弱性特點(diǎn)，剛度和強(qiáng)度差異較大，且層理、節(jié)理和裂隙高度發(fā)育。此外，各煤巖層之間有極薄弱的光滑面，黏結(jié)力較弱甚至無黏結(jié)力。因而，此范圍內(nèi)巖體的整體承載強(qiáng)度被極大弱化。在采掘影響下，工作面上方頂板出現(xiàn)破碎松散、離層脫落、整體漏矸嚴(yán)重甚至大面積冒頂?shù)痊F(xiàn)象。

2.2 上煤層工作面開挖影響

開采3#煤層造成其底板破壞最大高度Dmax按照式(1)計算[15]：

(1)

式中：γ為巖石重度，取25 kN/m3；H為煤層埋深，取598 m；L為工作面長度，取190 m；Rrmc為底板巖體的單軸抗壓強(qiáng)度，取24 MPa。

通過式(1)計算得到Dmax=28.9 m。

下部9#煤層開采后，充滿其采空區(qū)所需直接頂厚度根據(jù)式(2)計算[16]：

(2)

式中：∑h為直接頂厚度，m；M為9#煤層厚度，取值3.05 m；N為垮落直接頂?shù)乃槊浵禂?shù)，取值1.2。

通過式(2)計算得∑h=15.3 m。

3#煤層與9#煤層之間的巖層厚度為40 m，開挖3#煤層造成其底板破壞深度達(dá)28.9 m，而充填滿 9#煤層采空區(qū)所需直接頂冒落高度為15.3 m，二者之和超過40 m。由此可見，上部3#煤層開采后，開挖 9#煤層時，液壓支架上方頂板破壞深度極大，加之復(fù)合頂板具有松軟破碎、黏結(jié)力弱等特點(diǎn)，易造成大面積漏矸、冒頂現(xiàn)象發(fā)生。

2.3 9104工作面采掘活動影響

2.3.1 圍巖結(jié)構(gòu)鉆孔窺視

巷道掘出后，對9104回風(fēng)巷靠近工作面?zhèn)冗M(jìn)行現(xiàn)場鉆孔窺視，結(jié)果表明，其3 m范圍內(nèi)的煤巖體存在明顯的破碎現(xiàn)象，裂隙十分發(fā)育，對此區(qū)域若不進(jìn)行針對性處理，極易導(dǎo)致9104回風(fēng)巷片幫、冒頂，進(jìn)而造成9104低抽巷出現(xiàn)失穩(wěn)破壞、靠近巷道側(cè)工作面頂板漏矸、嚴(yán)重滾幫等一系列連鎖現(xiàn)象。

2.3.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)新元煤礦9104工作面地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立長×寬×高=280 m×60 m×80 m的數(shù)值計算模型，模型四周及底部設(shè)置為位移約束，上邊界設(shè)置為應(yīng)力約束。模擬方案：初始地應(yīng)力平衡→位移及塑性區(qū)清零→開挖回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷、低抽巷及工作面→設(shè)置大變形→解算數(shù)值模型。通過數(shù)值模型模擬回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷、低抽巷及工作面開挖后塑性破壞特征及應(yīng)力分布情況。

巷道及工作面開挖后，淺部巖體發(fā)生破壞，應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，當(dāng)應(yīng)力峰值再次達(dá)到深部圍巖體抗壓強(qiáng)度時，深部圍巖發(fā)生破壞，最終導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)較大范圍破壞，低應(yīng)力區(qū)范圍擴(kuò)大。9104工作面開挖30 m后的應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

圖3 9104工作面開挖30 m后的應(yīng)力分布云圖

對比圖3(a)、(b)可知，由于9104低抽巷的開掘，圍巖低應(yīng)力區(qū)范圍更廣，分布形式更復(fù)雜。9104低抽巷兩側(cè)低應(yīng)力區(qū)近似呈對稱分布，且9104低抽巷左側(cè)25 m長度區(qū)域與右側(cè)23 m長度區(qū)域內(nèi)的低應(yīng)力區(qū)近似呈“倒靴形”分布，此區(qū)域內(nèi)巖體松散破碎，急需采取加固措施。

9104低抽巷掘進(jìn)時會在其周邊一定范圍內(nèi)形成塑性破壞區(qū)，該塑性破壞區(qū)與9104回風(fēng)巷掘進(jìn)及9104工作面開挖所造成的塑性區(qū)貫通，進(jìn)而形成一個較大范圍的塑性破壞區(qū)，塑性區(qū)分布云圖如圖4所示。

圖4 9104工作面開挖30 m后的塑性區(qū)分布云圖

由圖4可見，9104低抽巷左側(cè)25 m長度區(qū)域內(nèi)的塑性區(qū)近似呈“矩形”分布，其右側(cè)23 m長度區(qū)域內(nèi)的塑性區(qū)近似呈“倒梯形”分布。9104低抽巷掘進(jìn)所引起的動壓影響造成9104回風(fēng)巷相較于9104進(jìn)風(fēng)巷破壞程度更大。

綜合分析可知，9104低抽巷右側(cè)23 m長度區(qū)域的穩(wěn)定性影響到工作面復(fù)合頂板的穩(wěn)固及9104低抽巷正常功能的發(fā)揮，其為工作面復(fù)合頂板治理的重要區(qū)域；9104低抽巷左側(cè)25 m長度區(qū)域的穩(wěn)定性不僅會影響到9104低抽巷及工作面復(fù)合頂板的結(jié)構(gòu)完整性，還影響到9104回風(fēng)巷通道安全，其為工作面復(fù)合頂板治理的關(guān)鍵區(qū)域。由窺視結(jié)果知，在關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)，9104回風(fēng)巷右?guī)? m范圍內(nèi)的圍巖異常破碎松散，需采取針對性的加固措施，為工作面復(fù)合頂板治理的基礎(chǔ)區(qū)域。因此，可將復(fù)合頂板分成 3個治理區(qū)域，即基礎(chǔ)治理區(qū)域、關(guān)鍵治理區(qū)域及重要治理區(qū)域。

3 工作面煤巖互層復(fù)合頂板災(zāi)害控制對策及技術(shù)

3.1 控制對策

基于對頂板分區(qū)治理的分析，提出工作面復(fù)合頂板分區(qū)、分重點(diǎn)注漿加固的治理思路。在松散軟弱的巖體里注漿，使巖石的宏觀孔隙度降低，其致密程度增高，巖體的整體性和抵抗外力破壞的能力被極大地增強(qiáng)[17-20]。傳統(tǒng)的單一材料的注漿效果不佳，同時常規(guī)的未分區(qū)大面積盲目注漿方法也降低了經(jīng)濟(jì)效益。為此，針對9104工作面煤巖互層復(fù)合頂板松軟破碎、漏矸冒頂問題，提出水泥基無機(jī)注漿材料(深孔注漿)與化學(xué)注漿材料(淺孔注漿)相結(jié)合的“兩深孔、一淺孔、兩材料、三區(qū)域”分區(qū)復(fù)合加固技術(shù)，如圖5所示。

圖5 “兩深孔、一淺孔、兩材料、三區(qū)域”分區(qū)復(fù)合加固技術(shù)

對9104回風(fēng)巷淺部3 m基礎(chǔ)治理區(qū)域采用化學(xué)注漿材料注漿，一方面可封堵遭到破壞的回風(fēng)巷幫淺部圍巖裂隙，維持回風(fēng)巷圍巖完整性；同時也可防止深孔高壓注漿時漏漿，為下一步進(jìn)行深孔高壓注漿打下良好基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)深淺部注漿協(xié)同加固圍巖。

因此，化學(xué)注漿材料注漿加固是整個加固的基礎(chǔ)，也是保證加固效果的基本條件。對25 m長關(guān)鍵治理區(qū)進(jìn)行高壓深孔水泥注漿，可有效膠結(jié)和充填回風(fēng)巷、低抽巷及工作面復(fù)合頂板區(qū)域裂隙，且能實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)治理區(qū)域的二次加固覆蓋；對48 m長區(qū)域進(jìn)行高壓深孔水泥注漿，可有效加固重要治理區(qū)域，維護(hù)9104低抽巷及工作面頂板安全，且能實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)治理區(qū)域的三次加固覆蓋及關(guān)鍵治理區(qū)域的二次加固覆蓋，使復(fù)合頂板的整體強(qiáng)度更接近完整巖層。

3.2 “兩深孔、一淺孔、兩材料、三區(qū)域”分區(qū)復(fù)合加固技術(shù)

3.2.1 注漿材料選擇

化學(xué)注漿材料：聚氨酯注漿加固材料由2種組分構(gòu)成，且1份助劑對應(yīng)1份主劑，現(xiàn)場使用2種助劑配制成雙組分化學(xué)漿。聚氨酯化學(xué)漿固化時間為30～60 s，漿液黏度為25～50 mPa·s，48 h后固結(jié)體抗壓強(qiáng)度達(dá)到40～55 MPa，黏結(jié)強(qiáng)度大于5 MPa。

水泥基無機(jī)注漿材料：正常注漿使用普通硅酸鹽水泥配合添加劑制備水泥漿，大范圍進(jìn)行注漿堵漏時，采用壓注水泥—水玻璃雙液漿。水灰比為(0.5～1.0)∶1.0，使用水泥—水玻璃雙液漿時，水泥漿配比不變，水玻璃模數(shù)為2.8～3.2，水泥漿和水玻璃的體積比為1.0∶(0.4～0.6)。

3.2.2 注漿關(guān)鍵參數(shù)確定

1)注漿壓力確定

注漿壓力是漿液在破碎煤巖體中流動、擴(kuò)散、壓實(shí)的動力。綜合考量現(xiàn)場實(shí)際地下水靜水壓力、注漿深度及工程類比等情況，確定深孔注漿終止壓力為4～6 MPa，淺孔注漿終止壓力為1～2 MPa。

2)注漿擴(kuò)散半徑計算

淺孔注漿采用化學(xué)注漿材料注漿方式，其擴(kuò)散半徑計算公式如下[21]：

(3)

式中：R淺為淺孔注漿擴(kuò)散半徑，m；Q為單位時間內(nèi)的注漿量，m3/s；t為注漿時間，s；h為單次注入的巖層厚度，m；n為巖層的孔隙率。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際可知，Q為0.001 5 m3/s，t為 1 000 s，h為1.0～2.3 m，n為0.05。通過式(3)計算得到淺孔注漿擴(kuò)散半徑為2～3 m。

深孔注漿采用水泥注漿方式，其擴(kuò)散半徑計算公式如下[21]：

(4)

式中：R深為深孔注漿擴(kuò)散半徑，m；Rck為注漿孔半徑，cm；K為滲透系數(shù)，m2；Δp為沿注漿流體長度的壓差，MPa；γB、γu為巖層裂隙中水、懸浮液的密度，t/m3；b為試驗系數(shù)；μB為液體動力黏度，N/cm2；b0為裂隙平均開裂度；mt為巖層裂隙率。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際可知:Rck為4.5 cm;K為50×10-12m2;Δp為2 MPa；γB為1.0 t/m3，γu為1.2 t/m3；b取8.5；μB為 0.001 21 N/cm2；b0為0.005～0.009；mt為 0.06～0.08。通過式(4)計算得到深孔(孔深為25、48 m)注漿擴(kuò)散半徑為1.1～2.0 m。

3)單孔注漿量設(shè)計

單孔注漿量與擴(kuò)散半徑、注漿孔長度、漿液填充系數(shù)及漏漿情況有關(guān)，其計算公式如下：

(5)

(6)

式中：Q深、Q淺分別為深孔、淺孔的單孔注漿量，m3；A為注漿漏漿系數(shù)；L為注漿段長度，m；β為經(jīng)驗填充系數(shù)。

結(jié)合注漿設(shè)備參數(shù)及現(xiàn)場實(shí)際，計算得到淺孔單孔注漿量不得少于1.52 m3；25 m深孔單孔注漿量不得少于2.74 m3，48 m深孔單孔注漿量不得少于5.38 m3。

4)注漿孔間排距設(shè)計

注漿孔漿液擴(kuò)散示意圖如圖6所示。A為注漿孔擴(kuò)散半徑(1、2、3、4)相交的部分。

圖6 注漿孔漿液擴(kuò)散示意圖

理論和實(shí)踐表明：注漿孔的間排距大小應(yīng)保證在相鄰兩排、兩列注漿鉆孔注漿完畢后，漿液的擴(kuò)散半徑能夠重疊，圖中A為重疊部分的區(qū)域，其面積應(yīng)大于0。則必須要求同時滿足式(7)：

(7)

式中：d1為注漿鉆孔的間距，m；d2為注漿鉆孔的排距，m；R為深孔或淺孔注漿擴(kuò)散半徑，m。

由上述分析可知：3 m的淺孔注漿擴(kuò)散半徑為 2～3 m； 25、48 m的深孔注漿擴(kuò)散半徑為1.1～2.0 m。根據(jù)式(6)并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，計算得到 3 m 淺孔注漿排距為5 m、間距為0.5 m，淺孔注漿布置形式如圖7(a)所示；25、48 m深孔注漿排距為2 m、間距為 1 m，深孔注漿布置形式如圖7(b)所示。

(a)淺孔注漿

(b)深孔注漿

4 工程應(yīng)用

4.1 施工工藝

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，在9104工作面回風(fēng)巷超前段進(jìn)行施工。

淺孔注漿采用MQS50錨桿鉆機(jī)或MQT130鉆機(jī)打孔，鉆孔深度為3 m，使用?28/30-10型封孔器封孔，注漿段全長一次注漿，封孔深度為2 m。

深孔注漿所有鉆孔均采用礦用ZDY4500LXY履帶式鉆機(jī)施工，鉆孔深度為25 m時，封孔深度為 5 m；鉆孔深度為48 m時，封孔深度為5 m。鉆孔的孔口埋鐵質(zhì)注漿管，孔內(nèi)下放硬塑料射漿管，射漿管間隔一定距離設(shè)有對穿孔，全長一次注漿施工，考慮現(xiàn)場煤巖層實(shí)際條件，全部注漿孔上仰5°。

4.2 注漿效果分析

分區(qū)注漿加固完成后，對9104工作面復(fù)合頂板壓力進(jìn)行持續(xù)觀測，某時刻不同編號液壓支架工作阻力觀測結(jié)果如圖8所示。

圖8 某時刻液壓支架工作阻力觀測結(jié)果

由圖8可知，監(jiān)測期間各液壓支架工作阻力大多處于30 MPa左右，液壓支架低工作阻力所占比例較小，這說明在回采期間9104工作面壓力整體正常。工程應(yīng)用結(jié)果表明，“兩深孔、一淺孔、兩材料、三區(qū)域”分區(qū)復(fù)合加固技術(shù)能有效加固復(fù)合頂板，能保障工作面按正常速度回采。

5 結(jié)論

1)針對新元煤礦9104工作面上方頂板出現(xiàn)破碎松散、離層脫落、整體漏矸嚴(yán)重甚至大面積冒頂?shù)痊F(xiàn)象，采用理論分析、現(xiàn)場實(shí)踐及數(shù)值模擬方法，分析得到工作面煤巖互層復(fù)合頂板失穩(wěn)破壞機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，劃分了長度分別為3、25、23 m的基礎(chǔ)治理區(qū)域、關(guān)鍵治理區(qū)域及重要治理區(qū)域。

2)基于對頂板分區(qū)治理的分析，明確了工作面復(fù)合頂板分區(qū)分重點(diǎn)注漿協(xié)同加固的控制思路，針對性地提出了水泥基無機(jī)注漿材料(深孔注漿)與化學(xué)注漿材料(淺孔注漿)相結(jié)合的“兩深孔、一淺孔、兩材料、三區(qū)域”分區(qū)復(fù)合協(xié)同加固技術(shù)，并確定了注漿關(guān)鍵參數(shù)。

3)應(yīng)用“兩深孔、一淺孔、兩材料、三區(qū)域”分區(qū)復(fù)合加固技術(shù)，有效解決了9104工作面煤巖互層復(fù)合頂板破碎松軟導(dǎo)致的大面積漏矸、冒頂及工作面回采受阻等問題，確保了工作面能按正常速度安全回采，可為同類型頂板治理提供技術(shù)借鑒。