硅化煤技術(shù)在建新高瓦斯采空區(qū)密閉施工中的應(yīng)用

馮 建

(陜西陜煤蒲白礦業(yè)有限公司，陜西 蒲城 715517)

0 引言

建新煤礦4202工作面為建新煤田第一個高瓦斯綜放面，工作面走向長度2 030 m，傾向長度200 m，煤層厚度8.7～13.5 m，平均厚度11.1 m，煤層屬Ⅱ類自燃煤層。4202工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。直接頂板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細砂巖及互層，屬穩(wěn)定性較差頂板。煤層底板主要為一套厚度不大的粘土質(zhì)沉積物，含粉砂質(zhì)、炭質(zhì)、鈣質(zhì)及鐵質(zhì)和植物根化石，遇水膨脹易變形。4202綜放面回采結(jié)束后，由于密閉及周邊原始煤體受采動壓力影響，墻體與煤體接縫及原始煤體裂隙(停采線處煤層厚度約12～13 m)受地表氣溫及大氣壓力影響，采空區(qū)與外界巷道空間出現(xiàn)“微循環(huán)”通道，密閉墻外氣體經(jīng)常超限，瓦斯高達6%(墻內(nèi)60%)，CO 30 ppm(墻內(nèi)180 ppm)，給采空區(qū)瓦斯防治及防滅火帶來了新的威脅。通過對該密閉實施硅化煤加固技術(shù)，杜絕了瓦斯與CO超限現(xiàn)象，將有害氣體控制在了安全范圍之內(nèi)。

1 硅化煤技術(shù)原理

硅化煤技術(shù)是將硅酸鹽等水泥漿液通過設(shè)備壓注到煤體內(nèi)，使水泥漿液與煤體發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，對煤體起到加固和封堵的效果。

1.1 提高煤巖體剛度和抗剪強度[1]

圍巖體法向剛度和切向剛度可以用來反映裂隙面的變形特性。

(1)

(2)

式中：σ和τ分別為裂隙面的正壓力和剪應(yīng)力；μ為切向位移。

通過剪切實驗擬合，煤巖體法向剛度

(3)

其中：Kno為初始法向剛度；Vm為常數(shù)。

從式(3)可以看出注漿后裂隙結(jié)構(gòu)面的剛度和抗剪強度隨法向正應(yīng)力σ的增加明顯提高。

1.2 發(fā)揮骨架網(wǎng)絡(luò)作用

水泥漿在圍巖的裂隙中，通過反應(yīng)與煤體形成網(wǎng)狀固結(jié)材料。該固結(jié)材料具有很好的粘結(jié)性和韌性。當載荷轉(zhuǎn)移到深部圍巖，破壞由原來的裂隙面破壞變?yōu)檎w破壞形式。當載荷壓力大于煤體承載強度時，在固結(jié)材料的骨架網(wǎng)絡(luò)作用下，以良好的粘結(jié)性和韌性提高煤體的殘余強度，防止圍巖破壞范圍的擴大，從而控制巷道斷面的變形量。

1.3 充填壓實作用改變煤體的破壞機理[2]

漿液在壓力的作用下，不僅將煤體中較大裂隙填滿，同時也可將煤體中封閉的微小裂隙壓實，從而使煤體孔隙完全封閉，提高煤體的整體彈性模量和強度。依據(jù)以往相關(guān)實驗得知，降低巖體的孔隙率，可很大程度提高圍巖的整體強度，圍巖強度的提高有利于保持巷道的整體穩(wěn)定性，同時孔隙中的固結(jié)材料在粘結(jié)作用下，使裂隙端部應(yīng)力集中效應(yīng)減小，從而改變圍巖的受力狀態(tài)，裂隙結(jié)構(gòu)面由原來的二向受力狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)。煤體的應(yīng)力狀態(tài)增強明顯，整體塑性增強，脆性減弱，從而達到改變煤體破壞機理。

2 硅化煤技術(shù)應(yīng)用

2.1 密閉墻注漿鉆孔布置

密閉墻前頂、底板、幫部各布置5排注漿孔，為五花眼方式布置，間排距均為1 m，單數(shù)排孔深為2 m，雙數(shù)排孔深為1 m，首排注漿孔距密閉墻0.5 m，與煤墻夾角為60°，其它排數(shù)注漿孔均與煤墻垂直。注漿涉及范圍為密閉墻前>6 m，深入煤體內(nèi)部>4 m，如圖1所示。

圖1 密閉墻圍巖注漿設(shè)計示意圖

2.2 施工方案

注漿孔施工：按照注漿設(shè)計方案，利用風鉆或風錨在密閉墻施工注漿孔，施工注漿孔必須與注水泥漿相結(jié)合，工序銜接有序(即施工1～5個注漿孔，及時將5個注漿孔進行注漿封堵或者一個班次施工注漿孔，一個班次注水泥漿)。

注漿孔插注漿管：注漿管用φ28 mm無縫鋼管焊制，插注漿管時，在注漿管頂端約1/3處用侵有玻璃水的棉紗纏繞數(shù)圈(纏繞直徑略>注漿孔直徑)，然后將注漿管插入注漿鉆孔，并用榔頭砸入(注漿管末端100 cm漏出注漿孔)，將注漿孔口與注漿管之間的間隙用棉紗塞緊，并用水泥抹嚴密固定。

注水泥漿：利用井下防爆注漿機(將水泥漿壓入注漿孔)和防爆攪拌機(攪拌水泥漿)，將p.s.A425#硅酸鹽水泥注漿按3∶1～4∶1的比例配比成水泥漿壓入注漿孔，水泥漿進入煤體裂隙，直至煤體裂隙充填滿。

注意事項：①根據(jù)風鉆壓力和出渣分析裂隙發(fā)育范圍，在密閉墻前左中右部分段打1 m潛孔和2 m深孔；②密閉墻施工過程中，墻體周邊掏槽由傳統(tǒng)的頂板300 mm、幫部500 mm、底板200 mm見實煤體，改為頂板500 mm、幫部800 mm、底板500 mm見實煤體。

2.3 應(yīng)用效果

通過測定采空區(qū)內(nèi)外氣體數(shù)據(jù)分析密閉墻圍巖裂隙狀況，研究注水泥漿效果。①利用密閉墻觀察孔多班次采集采空區(qū)內(nèi)氣體，分析采空區(qū)內(nèi)氣體成分；②利用微風管測試密閉墻及周邊圍巖漏風狀況。

治理效果：正常工作面封閉后20～30 d間，密閉墻圍巖出現(xiàn)導(dǎo)通裂隙，密閉墻外瓦斯?jié)舛茸罡哌_6%(墻內(nèi)60%)，CO 30 ppm(墻內(nèi)180 ppm)。實施該項目后，密閉墻外瓦斯?jié)舛鹊陀?.4%(墻內(nèi)65%)，CO低于5 ppm(墻內(nèi)26 ppm)，觀測結(jié)果見表1。從表1可以看出實施效果良好，能快速對密閉墻圍巖裂隙進行封堵。

表1 密閉應(yīng)用硅化煤技術(shù)觀測數(shù)據(jù)

施工結(jié)束經(jīng)濟對比分析：根據(jù)經(jīng)驗，按照使用水泥漿所需的量，同防火高分子材料使用情況進行費用對比，見表2。由表2可知，使用水泥漿單個密閉可節(jié)省資金38.5萬元。

3 結(jié)論

(1)硅化煤技術(shù)加固提高了圍巖體的整體剛度和強度，巖體殘余強度得到了增強，改變了裂隙的破壞機理。該技術(shù)杜絕了密閉周邊的“微循環(huán)”通道，減少了因地面大氣壓力變化對采空區(qū)造成的漏風，采空區(qū)CO濃度明顯下降；基本杜絕了高濃瓦斯通過煤體裂隙擴散到密閉外，密閉外瓦斯?jié)舛炔怀蓿刂圃?.4%以下。

(2)硅化煤技術(shù)在應(yīng)用過程中應(yīng)根據(jù)煤體裂隙張開度、煤體結(jié)構(gòu)面密度及注漿過程中的裂隙發(fā)育程度，合理控制施工壓力和施工深度。在季節(jié)更迭地面大氣壓變化幅度較大時段，每天下午3∶00～4∶00密閉外瓦斯與CO偏高，瓦斯最高0.8%，CO最高16 ppm，為了更好地控制氣體濃度不超限，在此基礎(chǔ)上應(yīng)制定專項安全技術(shù)措施對采空區(qū)高濃度瓦斯進行釋放。

(3)適時進行二次復(fù)注。由于密閉受周邊采動影響，礦壓會發(fā)生變化，所以當煤體產(chǎn)生新的裂隙時應(yīng)進行二次復(fù)注。

(4)通過實施硅化煤技術(shù)，較好地解決了4202高濃瓦斯采空區(qū)的防滅火、瓦斯治理等現(xiàn)實問題，與高分子材料相比可節(jié)約資金38.5萬元，具有在類似礦井進行推廣應(yīng)用的價值。