新型注漿加固材料在突出煤層中應(yīng)用

摘 要：本文介紹了在揭露和穿越松軟、低透、地質(zhì)復(fù)雜煤層過程中，通過利用新型化學(xué)材料--馬利散對(duì)煤層進(jìn)行加固，增強(qiáng)了松軟煤層的物理強(qiáng)度，減少了地應(yīng)力變化對(duì)巷道的影響，防止了突出事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：煤與瓦斯突出 復(fù)雜地質(zhì) 馬利散

概 況

糯東煤礦位于貴州普安縣境內(nèi)，是貴州興安煤業(yè)有限公司建設(shè)的第一個(gè)大型煤礦，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力240萬噸。礦井自2006年6月開工建設(shè)，計(jì)劃2009年投入生產(chǎn)。礦井原設(shè)計(jì)首采煤層為17號(hào)煤層，該煤層平均厚度4m，在實(shí)際揭露和勘探過程中發(fā)現(xiàn)，17號(hào)煤層瓦斯含量高、壓力大、煤層松軟且透氣性差，煤層具有較強(qiáng)的突出危險(xiǎn)性。經(jīng)過專家論證，礦井設(shè)計(jì)將首采17號(hào)煤層調(diào)整為首采20號(hào)煤層，利用20號(hào)煤層為17號(hào)煤層進(jìn)行區(qū)域性解突，實(shí)現(xiàn)解放層開采。

礦井設(shè)計(jì)有五條井筒，其中主副平硐布置在17煤層以下的20煤層層位，直接揭露20號(hào)煤層，三條斜井（一進(jìn)兩回，井筒傾角20～230）分別揭露并穿越17號(hào)煤層，煤層傾角5～70°。在斜井穿越17號(hào)煤層過程中，由于井筒處于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域和受到17號(hào)煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大和松軟透氣性差等因素的影響，整個(gè)揭、穿17號(hào)煤層防突工作進(jìn)展困難。

問題的提出

在三條斜井揭、過17號(hào)煤層過程中，揭煤位置處于地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域，由于煤層受逆斷層的影響，煤層由正常的4m左右變?yōu)?、11、5m厚并分為三個(gè)分層，分層之間為2～5m厚具有膨脹性質(zhì)的泥巖。經(jīng)取樣化驗(yàn)和實(shí)測，煤層硬度f＝0.14～0.17、瓦斯放散初速度20～26、煤層瓦斯壓力1.1～3.5MPa、煤層瓦斯含量為19.5 ～30m3/min、煤層透氣性0.103～0.135m2/MPa2·d、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0541～0.0673d－1。由于煤層中瓦斯含量高、壓力大、松軟透氣性差、且鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)大，在防突措施鉆孔施工過程中噴孔嚴(yán)重，單孔噴出煤粉3～10噸，噴孔瓦斯絕對(duì)涌出量達(dá)到10m3/min。由于井筒在穿越煤層過程中瓦斯噴孔帶出大量煤粉，造成了井筒周邊地應(yīng)力發(fā)生變化，給煤與瓦斯突出創(chuàng)造了條件。為解決這一問題，我們從增加煤體抵抗強(qiáng)度的角度采取了煤體加固措施，并取得了較好的效果。

加固材料選擇與施工

根據(jù)對(duì)利用注入水泥稀料加固和化學(xué)材料馬利散加固對(duì)比，由于17煤層松軟透氣性差，水泥稀料在煤層中滲透能力差，加固煤層的厚度達(dá)不到要求，且滲透不均勻，固化時(shí)間長。而利用化學(xué)材料馬利散進(jìn)行加固，由于該材料由化學(xué)樹脂和膨脹材料組成，混合液體在煤層中的滲透強(qiáng)度較大，滲透半徑2～3m，其加固厚度大于2米，且比較均勻、固化時(shí)間短。

注漿加固原理及材料性能指標(biāo)

注漿加固原理：大家知道，煤與瓦斯突出的一個(gè)主要指標(biāo)是由于煤層松軟、硬度小，煤體抵抗不住地應(yīng)力的破壞和瓦斯壓力的搬運(yùn)。馬利散加固材料由等量的樹脂液體A與膨脹液體B組成，利用專用雙液泵將馬利散兩種化學(xué)液體等量壓注到井巷周邊煤體中，在雙液泵壓力作用下充分混合并滲透到煤體的深部，生成對(duì)煤巖體具有較高粘結(jié)性的有機(jī)彈性體，人為地改善了松軟破碎煤巖體的物理力學(xué)性能，有機(jī)彈性體在破碎煤巖體內(nèi)膨脹、滲透、充滿整個(gè)裂隙面形成網(wǎng)絡(luò)骨架，起到補(bǔ)強(qiáng)加固、充填密實(shí)作用。使井筒周邊形成一個(gè)厚度2～3米的人造外殼，增強(qiáng)了井筒周邊煤體的強(qiáng)度。同時(shí)在雙液泵的高壓作用下使煤體漲開，使微小的節(jié)理發(fā)育層面加大，漿液充入后充填到這些裂隙中，降低煤層瓦斯含量。由于井巷周邊一定范圍內(nèi)煤體的加固，形成了深部高壓瓦斯與井筒之間的一層高強(qiáng)度安全隔離屏障，在減少因地應(yīng)力變化對(duì)井筒周邊煤體的破壞的情況下，使松散煤巖體粘結(jié)為一體，不易片幫、冒落，有利于及時(shí)、安全、有效支護(hù)作業(yè)。

材料性能指標(biāo)：馬利散化學(xué)漿是一種高分子聚合物。具有較好的滲透性和膨脹性能，與煤巖體均有較高的粘合力，在專用雙液泵的壓力作用下可滲透到微裂隙之中，混合后反應(yīng)膨脹凝固，形成致密的網(wǎng)絡(luò)骨架體，對(duì)工作面周邊煤體起到有效的固化作用，其主要技術(shù)性能指標(biāo)為：①固化時(shí)間：7～15s。②抗壓強(qiáng)度：1～10MPa。③固結(jié)體密度：35～110kg／m。④雙液混合比1：1。⑤阻燃無毒。

加固方案設(shè)計(jì)及參數(shù)：加固方案。由于該材料在現(xiàn)有市場價(jià)格較高，全面推廣使用由于經(jīng)濟(jì)效益等原因還無法實(shí)現(xiàn)，在三條斜井揭、穿17煤層過程中，主要用于在頂板破碎、鉆孔噴孔嚴(yán)重和過煤門等特殊時(shí)期。

具體方法：首先在工作面按終孔間距2～3米布置防突措施孔進(jìn)行瓦斯抽放，瓦斯抽放煤層卸壓后，在迎頭周邊每2米設(shè)置一個(gè)注漿孔，鉆孔采用一次性自攻鉆桿，鉆孔與巷道夾角220，孔深8～10m，巷道兩側(cè)控制幫距3m(法距)，先利用馬利散材料封孔3～5m，加固長度每循環(huán)5m，直至穿越煤層。

加固設(shè)備及其性能參數(shù)：采用2.2KW防突鉆機(jī)，并配備相應(yīng)長度的一次性自攻麻花鉆桿和相應(yīng)數(shù)量的直徑42mm鉆頭，鉆桿作為注漿管使用。采用專用雙液泵和注漿設(shè)備配套的25mm進(jìn)風(fēng)高壓管20m。l0mm出漿管10m～2m 各若干根。雙液泵主要性能參數(shù)為：①壓力比：50：1。②最大排漿量：10～20L／min。③供氣壓力：0.3～0.5MPa。④重量：60kg。

注漿孔布置：根據(jù)17煤層和圍巖體的具體特點(diǎn)和加固施工工藝，為防止在抽放孔內(nèi)聚積瓦斯，首先沖填所有瓦斯抽放孔，設(shè)計(jì)采用預(yù)先超前加固8～10m向前推進(jìn)5m方案。設(shè)計(jì)單排注漿孔，每孔深8～10m，鉆孔與巷道夾角220， 注漿管利用自攻麻花鉆桿每條長2m，封孔段長2m，每個(gè)注漿循環(huán)工作面周邊每2m布置1個(gè)注漿孔，共布置8個(gè)，從工作面斷面周邊開孔，根據(jù)現(xiàn)場注漿量及跑漏漿情況，孔間距為2m，對(duì)注漿管密度、深度和角度隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

施工工藝：在迎頭進(jìn)行鉆孔標(biāo)注→利用防突鉆機(jī)和自攻鉆桿施工注漿鉆孔→安裝注漿管及封孔部件→封孔→準(zhǔn)備漿液開泵注漿→觀察注漿效果→驗(yàn)收。

效 果

在斜井揭、穿17號(hào)煤層過程中，曾分三個(gè)區(qū)段進(jìn)行注漿加固，其中一號(hào)回風(fēng)井在將要穿過煤層過煤門時(shí)對(duì)頂部煤層進(jìn)行了加固，加固長度15m，使用馬利散加固材料3噸，安全進(jìn)尺20m順利穿過煤層。在施工過程中，沒有發(fā)生冒頂、片幫、瓦斯超限等事故，掘進(jìn)速度由原來的每旬5m增加到15m。

但值得注意的是，一是在采取煤層加固措施前，應(yīng)首先對(duì)煤層進(jìn)行解突，防止注漿壓力與地應(yīng)力和瓦斯壓力疊加誘導(dǎo)突出。二是在進(jìn)行注漿加固時(shí)，應(yīng)每施工一個(gè)鉆孔注漿一個(gè)鉆孔，防止注漿時(shí)漿液進(jìn)入臨近鉆孔。三是此項(xiàng)措施為加強(qiáng)防突措施，在實(shí)施該措施過程中其他“四位一體”防突措施應(yīng)正常進(jìn)行。

（作者單位:貴州興安煤業(yè)公司）

作者簡介：薄其山，工程師，現(xiàn)任貴州興安煤業(yè)公司副總經(jīng)理、總工程師。曾在多家刊物上發(fā)表論文數(shù)十篇。