注漿充填技術(shù)在處理小煤窯采空區(qū)冒矸中的應(yīng)用

劉慶順馮光明賈凱軍連小林

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008; 2.邯鄲礦業(yè)集團云駕嶺煤礦,河北省邯鄲市,056300)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

注漿充填技術(shù)在處理小煤窯采空區(qū)冒矸中的應(yīng)用

劉慶順1,2馮光明1賈凱軍1連小林1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008; 2.邯鄲礦業(yè)集團云駕嶺煤礦,河北省邯鄲市,056300)

針對云駕嶺礦12206工作面回采過程中因揭露小煤窯采空區(qū)而導(dǎo)致矸石頻繁冒落,影響工作面正常推進的情況,運用高水材料在工作面回風(fēng)巷對小煤窯采動所破壞的區(qū)域進行注漿充填。結(jié)果表明,破壞區(qū)域的松散矸石和煤體能有效地與充填固結(jié)體膠結(jié),具有一定的完整性。

小煤窯采空區(qū) 注漿充填 高水材料

AbstractThe advancing of working face has been affected due to the frequent falling of waste rock resulted by disclosing the gobs of small mines during the mining p rocess of working face No.12206 of Yunjialing M ine.In view of this status,w e have used high water material to grout and fill the area in the return roadway damaged by themining operation of the smallmine. A s a result,loose w aste rock and coal fo rmation in damaged area can cement w ith filled concretion body effectively and have a certain degree of integrity.

Key wordssmall co-mine gob area,grouting for backfilling,high water material

邯鄲礦業(yè)集團云駕嶺煤礦12206工作面在回采巷道掘進和工作面開采過程中,揭露了以前小煤窯開采形成的采空區(qū)。采空區(qū)頂板垮落后形成的下位矸石頻繁冒落,對工作面的正常推進產(chǎn)生了嚴重的不利影響。

1 12206工作面基本情況

1.1 地質(zhì)概況

邯鄲礦業(yè)集團云駕嶺煤礦12206工作面所在的2#煤層平均厚度4.5 m,煤層下部夾0.10～0.30 m厚的灰黑色粉砂巖夾矸。煤層傾角20～25°,平均為22°。直接頂厚度為4.50 m的灰黑色粉砂巖,泥質(zhì)膠結(jié);偽頂為厚度0～0.5 m的黑色炭質(zhì)泥巖或粉砂巖,巖相變化較大,質(zhì)軟性脆,易冒落;老頂為深灰色細粉巖,鈣質(zhì)膠結(jié),致密堅硬,厚度8.0 m。

依據(jù)鄰近工作面開采揭露的水文地質(zhì)情況來看,工作面水文地質(zhì)條件簡單,僅斷層及裂隙發(fā)育地段出現(xiàn)滴淋水,水量小于2.0 m3/h。

1.2 工作面現(xiàn)狀

12206工作面在回采的過程中,揭露了以前小煤窯的采空區(qū)。小煤窯的開采方式是先掘進巷道,然后再采用后退式回采巷道兩幫的煤炭,一般回采范圍為10 m寬,高度2 m。由于小煤窯采后仍留有2.5 m厚的底煤和大量的煤柱,小煤窯回采區(qū)的回收率只有30%左右,如果不進行復(fù)采,大量的資源將白白浪費掉。經(jīng)研究決定對其進行回收。但小煤窯的回采造成頂板的破壞,在復(fù)采區(qū)回采中,頂板矸石大量冒落且塊度較大,直接影響到工作面的安全生產(chǎn)。為此,需要對工作面煤壁上方的頂板進行支護,并對冒落的大塊矸石進行處理,嚴重影響了回采工作面的安全和回采效率的提高。

1.3 小煤窯采空區(qū)采動破壞范圍

真實的小煤窯回采巷道分布位置難以準確把握,但通過對工作面推進過程中矸石冒落的情況、冒落帶的形狀、分布和隨后注漿過程中的觀察,推測小煤窯采空區(qū)是一串互相連通的巷道頂板垮落后形成的。對回采巷道掘進及12206工作面回采過程中所出現(xiàn)的非正常矸石的冒落情況進行分析,可以大致判斷出小煤窯采空區(qū)的位置如圖1所示。

圖1 12206面小煤窯巷道分布位置預(yù)測圖

2 治理方案

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研,發(fā)現(xiàn)12206工作面前方的矸石是由小煤窯回采巷道頂板垮落后形成的。雖然小煤窯回采巷道的分布位置難以確定,但是采空區(qū)分布面積較大,且頂板垮落區(qū)域互相有通道溝通,可以使用注漿充填這個技術(shù)手段來解決該問題。通過注入大量的可膠結(jié)性材料,使原來破碎的巖石重新膠結(jié)在一起,形成具有一定強度的人工假頂,從而解決推進過程中遇到的頂板破碎易冒落的問題。

2.1 注漿材料的選擇

注漿加固材料有化學(xué)類與水泥類兩種?；瘜W(xué)類滲透性較好,但成本高、普遍有毒、污染環(huán)境,且強度偏低。水泥類有單液水泥漿、水泥與水玻璃雙液漿和高水速凝材料等。單液水泥漿水灰比低、易沉淀泌水、結(jié)石率低、可注性差、凝結(jié)時間長,且不易控制。水泥與水玻璃雙液漿結(jié)石率較高,但固結(jié)體受水影響后強度降低顯著。高水速凝材料具有水灰比高、凝結(jié)時間易調(diào)節(jié)、流動滲透性好、100%結(jié)石、固結(jié)體不泌水微膨脹、顆粒細可注性好等優(yōu)點。此外,高水材料固結(jié)體具有“親水”性,即在水中浸泡后強度會略微升高,固結(jié)體破裂后具有再膠結(jié)性能?？梢?高水材料是一種性能優(yōu)良的新型注漿材料,完全能滿足小煤窯采空區(qū)注漿充填的要求。經(jīng)過綜合考慮,本次12206工作面小煤窯采空區(qū)注漿充填工程中選用由中國礦業(yè)大學(xué)研制的ZKD型高水速凝材料。在該注漿充填工程中,水灰比確定為4∶1～5∶1。實際操作中,水灰比可進行調(diào)整,以滿足注漿充填對漿液流動與凝結(jié)等性能的要求。

2.2 注漿參數(shù)的確定

(1)注漿時間。注漿時間長短與注入圍巖中的漿液量的多少、圍巖裂隙發(fā)育、漿液在裂隙中的流速等因素有關(guān),由于采空區(qū)注漿的特殊性,所以不能按照傳統(tǒng)的“飽注”作為判斷,而是要按照注入漿體能否使采空區(qū)下位碎石充分膠結(jié)作為依據(jù)。在實際注漿過程中,注漿時間難以定量,需要與注漿壓力、注漿量等參數(shù)配合分析決定。

(2)注漿壓力。采空區(qū)注漿的特殊性決定了注漿壓力不能過大。由于采空區(qū)矸石間的空隙較大,在注漿過程中產(chǎn)生的注漿壓力主要是由管路阻力所引起的,一般不會超過0.5 M Pa。實際操作中,也要適當?shù)刈⒁庾{壓力,要與注漿量結(jié)合起來判斷是否停止注漿。

(3)注漿量。由于是對大面積的采空區(qū)進行注漿充填,實際操作中的注漿總量會比較大,而且難以定量計算,對注漿量的控制只要使得注漿液面不要超過煤層頂板過高即可。實際操作中,應(yīng)根據(jù)相鄰注漿孔注漿量情況和跑漏漿情況來確定注漿孔的單孔注漿量。

(4)漿液擴散半徑。漿液擴散半徑與注漿孔布置、孔深、圍巖裂隙狀況、漿液性質(zhì)及注漿壓力等情況有關(guān)。對于12206工作面的注漿充填工程而言,由于漿液在采空區(qū)的流動的規(guī)模較大,注漿效果與漿液的擴散半徑關(guān)系不是很大。同時采空區(qū)中存在大量的裂隙使得漿液在采空區(qū)中的流動近似于在開放空間的流動,很難確定具體漿液的擴散半徑。據(jù)12206工作面目前采空區(qū)范圍內(nèi)的煤體破碎情況,初步確定漿液擴散半徑為1～3 m。

(5)注漿孔布置。對注漿工程而言,注漿孔的布置是極為重要的。在工作面進行注漿針對性和目的性強,但不容易打孔且漿液不容易上行,易產(chǎn)生跑漏漿。在兩巷注漿,漿液下行,容易充分充填膠結(jié)下位矸石,一旦注漿孔溝通采空區(qū),將會有非常好的注漿效果。因此,綜合考慮選擇在回風(fēng)巷進行注漿。注漿孔布置的平面圖和剖面圖如圖2和圖3所示。

圖2 注漿孔布置平面圖

注漿孔的間排距與漿液擴散半徑有關(guān)。注漿孔的排距的確定條件是要保證相鄰注漿孔的擴散半徑有一定的交叉。根據(jù)12206工作面注漿充填工程的情況和施工操作,確定淺部注漿孔的間排距為3 m,孔深按照鉆進的情況而定。順煤層打鉆,鉆到采空區(qū)后,鉆機開始出現(xiàn)吸鉆、夾鉆等現(xiàn)象,無法繼續(xù)鉆進,這時開始注漿,直到無法進漿為止。經(jīng)兩天的凝固后,再繼續(xù)在此位置向深部打鉆,鉆到?jīng)]有注到漿液的采空區(qū)為止,再次進行注漿,以此類推,直到將該區(qū)域所有的采空區(qū)覆蓋為止。

圖3 注漿孔布置剖面圖

3 注漿實施情況

云駕嶺煤礦 12206工作面注漿充填工程于2008年5月開始實施,8月結(jié)束。注漿過程中,首先對兩巷和工作面煤壁進行噴漿處理,隨后采用淺孔注漿與深孔注漿相結(jié)合的方式,沿著12206工作面回風(fēng)巷對煤壁進行注漿。注漿后,工作面前方160 m,約4800 m2范圍內(nèi)的煤體得到了加固。工作面煤壁經(jīng)過預(yù)注漿后的效果如圖4所示。

圖4 工作面煤壁預(yù)注漿效果圖

4 注漿充填效果

(1)防止煤壁片幫效果顯著。注漿加固前,煤壁片幫、冒頂嚴重,達到2～3 m,注漿加固后,基本杜絕了煤壁片幫、冒頂現(xiàn)象。

(2)提高了開機效率,減小了停機清理片幫冒落煤巖體的時間,為工作面的順利推進提供了條件,從而提高了生產(chǎn)效率。

(3)減小了工人勞動強度。由于片幫、冒頂現(xiàn)象的減少,從而減小了人工架設(shè)木垛接頂?shù)墓ぷ髁?減小了對片幫區(qū)域提前打設(shè)單體液壓支柱的工作量,提高了工人的勞動效率。

(4)經(jīng)過煤壁注漿,提高了煤巖體的整體性和穩(wěn)定性,為工作面的安全生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

[1]韓立軍,張茂林等.巖土加固技術(shù) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2005

[2]煤炭科學(xué)研究院建井所注漿室.煤礦注漿技術(shù) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1978

[3]王國際.注漿技術(shù)理論與實踐 [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2000

[4]劉同有,等.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用 [M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001

[5]寧帥,馮光明,牛建春,等.高水速凝材料在超高冒頂巷道治理中的應(yīng)用 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2009(8)

[6]馮光明,侯朝炯,賀永年.高水材料及其在井筒注漿堵水工程中的應(yīng)用 [J].東北煤炭技術(shù),1998(6)

[7]于新峰,柏建彪.張集礦綜采工作面破碎煤壁注漿加固技術(shù)研究 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2006(2)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

The application of filling technology by grouting in dealing with fallen waste rocks from gobs of smallm ines

Liu Qingshun1,2,Feng Guangming1,Jia Kaijun1,Lian Xiaolin1
(1.School of M ining Engineering,China University of M ining and Technology,Xuzhou 221008,China; 2.Yunjialing Coal M ine of Handan M ining Group,Handan 056300,China)

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劉慶順 (1970-),男,河北省清苑縣人,中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程研究生,主要從事充填開采及沿空留巷等采礦工程方面的研究工作。