徐華生 彭世龍 榮傳新 程樺 侯俊領

摘 要：針對淮南礦區(qū)顧北礦南二采區(qū)1512（3）工作面近厚風氧化帶開采的地質特征，采用J型水平羽翼分支孔對厚風氧化帶進行地面預注漿加固。在注漿改性加固的基礎上，對工作面開采礦壓實施監(jiān)測。通過監(jiān)測結果，對風氧化帶整體注漿改性后采場礦壓顯現特征進行了分析。結果表明：風氧化帶整體注漿加固后，工作面來壓呈現大小周期現象；工作面老頂初次來壓步距平均值為31.5m，前12個周期來壓步距平均值為13.20m，初次來壓步距及周期來壓步距均稍大于類似條件下的工作面。該研究成果對近厚風氧化帶下安全高效采煤具有重要的指導意義。

關鍵詞：厚風氧化帶；無關鍵層；J型注漿；礦壓

中圖分類號： TD32 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2017）06-0076-06

Abstract：According to the geological features of near thick wind oxidation zone in the second mining area 1512 （3） working face in south Gubei Mine of Huainan mining area， using the J type horizontal wings branch hole the thick wind oxidation zone was reinforced with grouting. On the basis of grouting modification and reinforcement， mining face pressure was monitored. Through the monitoring results， behavior characteristics of the stope ground pressure in the wind oxidation zone being grouted and modificated were analyzed. The results showed that： after the overall grouting in the wind oxidation zone， the working face pressure on displayed the periodic phenomenon； the average of the first roof weighting pace was 31.5m on the working face roof and in the first 12 week period the roof weighting pace averaged 13.20m， the first weighting pace and periodic weighting pace were slightly larger than the working faces under the similar conditions. The research results have important guiding significance for safe and efficient coal mining under near the thick wind oxidation zone.

Key words：thick wind oxidation zone； no key stratum； J grouting； mine pressure

綜采工作面的頂板控制一直是采礦學科研究的核心問題之一。采場中一切礦壓顯現的根源是采動引起的上覆巖層的運動，由于上覆巖層的巖性、厚度、層位關系及構造情況不同，存在著多種多樣的運動規(guī)律[1-4]。近年來，我國已經發(fā)生數十起松散含水層下采煤壓架致災事故，并且綜采面壓架致災呈現增多趨勢，特別在薄基巖厚風氧化帶下發(fā)生壓架致災事故尤為突出，造成了重大的經濟損失，嚴重威脅煤礦安全生產，因此，引起行業(yè)領導和眾多學者關注[5-10]。目前，國內對風氧化帶的處理方面有一些相關的工程實踐研究，用途較為廣泛的主要在立井井筒建設過程中，通過對風化帶開展地面預注漿，起到了加固和封水效果[11-15]。國外研究方面，因為國情不同，深部類似條件的風氧化帶無關鍵層條件的煤炭開采很少。

顧北礦南二采區(qū)1512（3）工作面回采時，上覆巖層中有超過30m的厚風氧化帶，當荷載傳遞到該層位出現大周期來壓時，單靠提高液壓支架工作阻力應對將非常被動；而主動改善工作面上覆圍巖結構則是行之有效的關鍵措施。常規(guī)的工作面注漿將面臨鉆孔成孔困難，抱鉆、塌孔、封孔困難、注漿壓力難以達到要求等問題。為此，針對淮南礦區(qū)顧北礦南二采區(qū)1512（3）工作面厚風氧化帶、無關鍵層條件，為了防止薄基巖厚風氧化帶煤層工作面開采時再次發(fā)生壓架出水等事故，在工作面開采前設計采用了一種J型水平羽翼分支孔的注漿孔布置方式，結合定向鉆孔技術和水平預注漿技術，對采煤工作面頂板風化基巖帶進行了地面預注漿。本文在厚風氧化帶地面預注漿改性加固的基礎上，科學組織開采，并對工作面開采礦壓實施監(jiān)測，對風氧化帶整體注漿改性后采場礦壓顯現特征進行了分析，保障了該種條件下工作面的順利開采，研究成果有利于淮南礦區(qū)持續(xù)、高效安全發(fā)展，具有重要的學術價值和重大的現實意義。

1 工作面概況

1）工作面位置

淮南礦區(qū)顧北礦南二采區(qū)1512（3）工作面為含水層下提高上限回采，工作面東側為南二（13-1）煤層底板軌道大巷、南二（13-1）煤層膠帶機大巷、南二（13-1）煤層回風大巷及井田邊界；南側為設計的1512（3）工作面；西側為南二（13-1）煤風氧化帶，工作面布置如圖1所示。

2）頂板和底板情況

工作面煤層頂底板情況如表1所示。

頂板特征：該面13-1煤偽頂缺失；直接頂為泥巖、砂質泥巖，厚度不穩(wěn)定，為2.0～10.0m，均厚4.0m；老頂為粉細砂巖，厚度變化大，為0.8～7.4m，均厚2.0m，其中切眼中、下部較厚，其上部發(fā)育有13-2煤，厚度為0～0.5m，局部缺失。

通過工作面切眼附近進行鉆孔取芯發(fā)現：該鉆孔處13-1煤層厚5.39m，老頂往上依次為18.1m的粉細砂巖、15.17m風化泥巖、5.08m風化花斑泥巖、6.9m強風化泥巖、1.3m風化中砂巖，風氧化帶厚度28.85m（其中強風化帶度厚度17.26m、弱風化帶度厚度11.59m），沖積層與風化基巖交界面深度為421.15m。將鉆孔取芯試樣進行巖石力學特性分析可知，風化帶巖性主要為泥巖和砂質泥巖，其抗壓強度較低，均在6MPa以下。

3）煤層賦存情況

1512（3）工作面所采煤層為13-1煤層，煤層下部含一層夾矸，厚度0.3～0.4m，夾矸主要為炭質泥巖、泥巖；煤層最大厚度為6.2m，最小厚度為4.3m，平均厚度為5.4m，煤層發(fā)育穩(wěn)定。

4）工作面構造情況

1512（3）工作面總體構造形態(tài)為一單斜構造，煤層走向近南北，傾角3°～8°，平均傾角5°；掘進期間順槽及切眼共揭露斷層5處，其中對回采有影響的斷層3條，斷層最大落差7.2m，其中小于1m落差的有1條。

5）巷道布置和工作面基本參數

本工作面運輸順槽和軌道順槽巷均沿煤層傾向布置。工作面可采走向長度391.6m；面長195m；煤厚4.3～6.0m；采高2.8～4.3m；傾角3°～7°，平均5°。

6）采煤工藝

1512（3）采用傾向長壁區(qū)內后退式一次采全高綜合機械化采煤法回采。初采初放期間采高控制在3.8～4.0m；正?；夭筛?3-1煤頂板回采，最大采高不超過4.8m。工作面采用四柱支撐掩護式液壓支架支護，兩順槽采用超前支架支護。采空區(qū)采用頂板自然垮落式。

7）注漿設計與注漿效果分析

由于顧北礦南二采區(qū)1512（3）頂板風氧化帶自穩(wěn)定性極差，為了防止薄基巖厚風氧化帶煤層開采時發(fā)生壓架出水等事故，在工作面開采前設計采用了一種J型水平羽翼分支孔的注漿孔布置方式，結合定向鉆孔技術和水平預注漿技術，對采煤工作面頂板風化基巖帶進行了地面預注漿。根據鉆孔觀測資料可知，煤層頂板上方20～50m范圍為風氧化帶，結合注漿擴散的特點，風氧化帶注漿設定在深度434.43～447.55m的風化泥巖層內進行注漿，注漿范圍為自開切眼起200m×60m（工作面面長×走向長度），以1512（3）工作面回風順槽上方（深度為440m，與風化基巖頂界面距離為18m）為注漿起點，以1512（3）工作面膠帶機順槽上方（深度為445m，與風化基巖頂界面距離為15m）為注漿起點。

根據注漿加固工程實施情況，結合工作面放水孔施工布置，在1512（3）工作面頂板風氧化帶共鉆取了17個鉆孔進行取芯。各鉆孔取芯情況表明，風氧化帶的巖性以泥巖為主，局部呈黃色泥狀，未加固段的風氧化帶泥巖呈強風化、泥質結構、疏松易碎且節(jié)理發(fā)育，破碎后呈菱角狀態(tài)，巖芯占總鉆進長度的比例為0.35%；注漿加固段由于注漿對風氧化帶破碎巖塊起到了明顯的膠結作用，完整性也明顯好于未注漿加固段。通過對所取芯樣進行巖石力學試驗，試驗結果表明工作面上覆巖體泥巖和砂質泥巖的抗壓強度為14.4～20.7MPa，破壞后的巖芯中夾雜少量頁巖，層狀分布明顯。細砂巖和中細砂巖的強度為61.9～69.1MPa，為上覆巖層中的主要持力層。未加固段風氧化帶泥巖抗剪強度為3.2MPa，注漿加固段抗剪強度為4.5MPa，抗剪強度、粘聚力均值提高約40%。

2 工作面礦壓監(jiān)測方案

1）系統(tǒng)簡介

采用尤洛卡公司生產的KJ216礦用液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測支架工作阻力。

2）支架工作阻力測區(qū)

工作面采用KJ216/KJ653型煤礦液壓支架監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)測定液壓支架工作阻力。在整個工作面布置13條測線，共裝26個壓力分機，依次分別為1#、3#、5#、10#、15#、20#、25#、 30#、 35#、 40#、 45#、 50#、 55#、 60#、 65#、70#、75#、80#、85#、90#、95#、100#、105#、110#、111#、113#支架。工作面推進過程中支架工作阻力值連續(xù)自動記錄在監(jiān)控主機中，測區(qū)布置及部分儀器布設如圖2所示。

3 注漿改性后采場礦壓顯現特征

在1512（3）工作面未開采之前，首先對工作面上覆的風氧化帶進行整體注漿加固，工作面自9月19日生成至10月28日，共回采約200m?，F場觀測從2014年9月19日開始到2014年10月18日結束，監(jiān)測期間工作面回采200m，其中包含直接頂初次垮落，老頂初次來壓和若干個周期來壓的頂板運動階段。

根據所監(jiān)測到的支架工作阻力生成工作面液壓支架工作阻力二維等值線圖（見圖3），可以推斷風氧化帶注漿加固后的頂板運移規(guī)律。

由圖3分析可知，風氧化帶內整體注漿后，回采期間，采場中部范圍來壓持續(xù)時間較長，步距較小，上下端頭側來壓步距較大持續(xù)時間較短，采場一共經歷了3次比較大的周期來壓。初次來壓較周期來壓步距大，正常開采階段，直接頂基本隨采而冒，無懸頂。大小周期來壓現象說明了經過注漿改性后的厚風氧化帶相對于未注漿產生了主關鍵層和亞關鍵層，主關鍵層初次破斷和周期破斷往往形成大來壓，來壓顯現強烈，亞關鍵層初次破斷和周期破斷往往形成小來壓。工作面推進70m距離時，即工作面第三次周期來壓時，整個工作面液壓支架工作阻力值遠大于前兩次周期來壓時的液壓支架工作阻力，即可判定此次來壓為一次大周期來壓，此時工作面共經歷3次周期來壓；同理可判定當工作面推進120m時，工作面出現第二次大周期來壓，此時工作面共經歷7次周期來壓。

3.1 老頂初次來壓顯現特征

1）頂板冒落情況

工作面采空區(qū)初次放炮落頂后，直接頂基本垮落。工作面正常推進過程中，采空區(qū)直接頂基本隨采隨冒。工作面頂板較破碎，經常會有漏矸現象，特別是在初次來壓期間。

2）工作面頂板淋水情況

工作面頂板開采期間無淋水情況出現。

3）煤壁片幫漏頂情況

工作面推進過程中，老頂初次來壓期間，煤壁狀況良好，基本無偏幫漏頂現象出現。

4）老頂初次來壓步距的判定

由工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測數據及觀測到的工作面宏觀礦壓顯現特征可以判定工作面各個位置的初次來壓時間及步距，其監(jiān)測結果如表2所示。

由表2分析可知，老頂初次來壓步距為27.7～36.5m，平均為31.5m，而本礦區(qū)其他類似工作面老頂初次來壓步距為28～30m，由此可見，風氧化帶整體加固后，工作面老頂初次來壓步距稍大于未加固條件下的工作面老頂初次來壓步距。由于工作面面長195m，同時各監(jiān)測點地質條件不同，受DF42斷層及來壓期間上下端頭推進距離差異等因素的影響導致整個工作面初次來壓呈現分段來壓，具體表現為工作面上部、中部液壓支架處老頂首先來壓，然后向工作面下部進行。

3.2 老頂周期來壓顯現特征

1）頂板冒落情況

周期來壓期間，采空區(qū)直接頂隨采隨冒。工作面頂板較破碎，經常會有漏矸現象。

2）工作面頂板淋水情況

周期來壓期間工作面頂板開采期間無淋水情況出現。

3）煤壁片幫漏頂情況

工作面推進過程中，在周期來壓前期（1～3周期），工作面煤壁狀況良好無明顯的漏頂與片幫現象，支架后方頂板充分垮落，垮落區(qū)壓實。工作面上端頭與膠帶機順槽交匯處上方過斷層處的頂板較為破碎，經過工人打入單體支柱加固后狀況有所改善。在周期來壓中期（4～6周期），由于工作面已基本過斷層，工作面上端頭與膠帶機順槽交匯處頂板的完整性較前段時間有明顯改善，部分架前煤壁出現輕微片幫現象，該觀測期間整個工作面沒有發(fā)現明顯的漏頂現象。支架后方頂板充分垮落，垮落區(qū)壓實度較好。在周期來壓后期（7～9周期），觀測期間工作面支架前方煤壁有多處出現片幫和漏頂現象，其中，10月18日87#、79#～84#發(fā)生明顯的漏頂現象，有大塊矸石落下。

4）周期來壓步距

根據監(jiān)測的工作面液壓支架工作阻力曲線圖可以判定工作面各周期來壓步距如圖4所示。

由圖4可知，當工作面推進200m時，各工作面支架均經歷了12次周期來壓，工作面各部位初放期間的周期來壓步距范圍為13～15m，隨著工作面的開采，第八次周期來壓后，工作面各個部位的周期來壓步距開始減小，范圍為11～13m。工作面10#和30#支架代表工作面上部，第一次周期來壓步距為12～12.5m，周期來壓步距最大值為18.1m，最小值為9.9m，總周期來壓步距平均值為13.4m；工作面45#支架代表的工作面中上部，第一次周期來壓步距為15.1m，周期來壓步距最大值為18.3m，最小值為11.4m，周期來壓步距平均值為13.22m；工作面55#支架代表的工作面中部，第一次周期來壓步距為15.7m，周期來壓步距最大值為16.4m，最小值為10.2m，周期來壓步距平均值為12.28m；工作面70#支架代表的工作面中下部，第一次周期來壓步距為14.6m，周期來壓步距最大值為16.6m，最小值為10.5m，周期來壓步距平均值為12.62m；工作面80#和105#支架代表的工作面下部，第一次周期來壓步距約為15.4m，周期來壓步距最大值為16.9m，最小值為11.1m，周期來壓步距平均值為13.72m。

綜上，工作面各部位老頂初次來壓步距27.7～36.5m，平均31.5m；工作面各部位老頂周期來壓步距9.9～18.3m，離散性較大，平均周期來壓步距約為13.20m。總體而言，采場中部范圍來壓步距較小，上下端頭側來壓步距較大。初次來壓步距及周期來壓步距均稍大于其他類似條件下未注漿加固的工作面。

對風氧化帶注漿加固后，改變了工作面原有的上覆巖層結構。未注漿時，初次來壓時風氧化帶隨著老頂的破斷而同步下沉，大范圍的巖層作用在支架上，當巖層重量超過液壓支架承受能力時易導致壓架，而對風氧化帶注漿可以提高風化巖層的抗拉能力及內聚力，從而將風氧化帶由載荷層變?yōu)槌休d層，老頂初次破斷時，支架只承擔注漿巖層以下巖層的重量，改變了支架受力狀態(tài)，保證了工作面的安全生產。

4 結論

1）風氧化帶整體注漿加固后，工作面各部位老頂初次來壓步距27.7～36.5m，平均31.5m，工作面各部位老頂周期來壓步距9.9～18.3m，平均13.20m，初次來壓步距及周期來壓步距均稍大于類似條件下的工作面。

2）工作面各部位初放期間（風氧化帶注漿段）周期來壓步距范圍為13～15m；當工作面經歷第八次周期來壓后，即9～12次周期來壓步距平均值開始減小，范圍為11～13m。

3）風氧化帶內整體注漿后，回采期間，采場中部范圍來壓持續(xù)時間較長，步距較小，上下端頭側來壓步距較大持續(xù)時間較短，工作面來壓呈現大小周期現象，采場一共經歷了3次比較大的周期來壓。

4）整個工作面初次來壓呈現分段來壓現象，具體表現為工作面上部、中部液壓支架處老頂首先來壓，然后向工作面下部進行。

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（責任編輯：李 麗，吳曉紅，編輯：丁 寒）