新三礦162601工作面超前注漿加固技術(shù)研究與應(yīng)用

叢龍峰

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司新三礦，河北邯鄲056200）

1 引言

新三礦162601工作面為綜采工作面，工作面煤層為單斜煤層，煤層走向 NW55°，傾向 NE，傾角 7～15°，平均為 11°，煤層厚度2.8～4.5m，平均4.2m。工作面采煤方法為傾斜長(zhǎng)壁輕型綜采放頂煤后退式方法。工作面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，掘進(jìn)時(shí)揭露8條斷層。目前揭露兩條正交斷層，受斷層影響，工作面第34臺(tái)～43臺(tái)支架煤壁及頂板較破碎，出現(xiàn)片幫，尤其在35～38臺(tái)支架處由于空頂時(shí)間較長(zhǎng)而發(fā)生冒頂，冒高約4～5m，致使綜采工作面推進(jìn)較為緩慢，嚴(yán)重影響到綜采工作面回采生產(chǎn)與安全。為加快推進(jìn)，早日推過(guò)該構(gòu)造帶，需另采取有效的措施來(lái)防止煤層片幫空頂，使工作面安全順利推過(guò)該構(gòu)造帶。

2 概述

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察及以往其他礦的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，宜采用化學(xué)注漿加固的方式，對(duì)工作面斷層帶附近煤壁及破碎頂板進(jìn)行超前注漿加固，使其凝結(jié)成為一個(gè)整體，提高煤壁及頂板的黏結(jié)強(qiáng)度，減少煤壁片幫范圍及深度，控制頂板垮落，確保工作面安全生產(chǎn)。在2601工作面推采過(guò)程中除實(shí)施以上技術(shù)措施外，重點(diǎn)對(duì)煤層注漿進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。合理的煤層注漿可增加煤體顆粒之間的黏聚力，降低煤的脆性，增加煤壁及頂板的整體性延緩煤壁的片幫漏頂，給工作面一定的拉架時(shí)間，有效的控制煤壁及梁端頂板的片幫冒落，形成不易脫落的再生頂板。

2.1 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)本次工作面的特殊情況，設(shè)計(jì)在工作面構(gòu)造變化處從煤壁面布置注漿孔，對(duì)工作面受構(gòu)造破壞的煤壁及偽頂頂板進(jìn)行注漿加固。注漿時(shí)以割煤循環(huán)為單位，根據(jù)工作面推進(jìn)速度確定注漿段長(zhǎng)度適當(dāng)進(jìn)行注漿，保證工作面正常推進(jìn)。

2.2 注漿材料選擇及性能指標(biāo)

注漿加固從注漿材料來(lái)看分為無(wú)機(jī)和有機(jī)（即化學(xué)）兩種。無(wú)機(jī)材料以水泥或水泥-水玻璃雙液為主，該類(lèi)漿液為顆粒型，而且凝固時(shí)間不宜調(diào)節(jié)，跑漏嚴(yán)重，漿液在凝固過(guò)程中離析析水，凝固體強(qiáng)度上升慢且脆性大，主要用于裂隙較大，無(wú)動(dòng)壓影響且變形量較小，自身強(qiáng)度較高的圍巖注漿，對(duì)于冒頂處理無(wú)能為力。而化學(xué)漿液為溶液型，可以滲透到細(xì)小的裂隙和孔隙內(nèi)，漿液反應(yīng)速度快而且反應(yīng)時(shí)間可調(diào)，凝固體有較高的彈性，強(qiáng)度上升快，在幾分鐘內(nèi)可達(dá)到最終強(qiáng)度的90%以上。

根據(jù)回采工作面冒頂治理的使用特性，煤巖體極為松軟破碎，且穩(wěn)定性差，煤壁及頂板承受動(dòng)壓影響等因素要求注漿材料應(yīng)具有凝固速度快、固結(jié)體強(qiáng)度上升快、材料應(yīng)有較好的韌性等特性。因此選用波雷因注漿材料。

波雷因注漿材料由A、B兩種組分組成。當(dāng)A、B兩種組分以相同的體積充分混合后，能形成較高強(qiáng)度并具有較好韌性的固結(jié)體。該漿液具有較高的粘合力和較好的機(jī)械性能，與煤、巖層有較好的親和力，固結(jié)體的柔韌性能承受一定的地層變形。材料注入破碎煤體、巖石后，低黏度混合物保持幾秒鐘，迅速進(jìn)行一系列的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，與煤巖體形成具有一定強(qiáng)度的固結(jié)體，從而起到加固煤壁及頂板的作用。其性能指標(biāo)如下：

波雷因性能指標(biāo)：

基本組分 A料 B料密度（25°C）/g/cm3黏度（25°C）/mpa.s包裝（塑料桶）/kg 1.23 220 27 1.05 200 23混合比保存期（25°C）開(kāi)始反應(yīng)時(shí)間（s）膨脹倍數(shù)抗壓強(qiáng)度（MPa）黏結(jié)強(qiáng)度（MPa）1∶1 6個(gè)月35～60 2～3 58 5.5

波雷因漿液A、B兩種料以1∶1的比例注入煤巖體裂隙中，以孔口管為中心，向四周滲透和擴(kuò)散，充填破碎、松散的煤巖體裂隙，并且在材料自身二次發(fā)泡、膨脹的推動(dòng)下，滲透到圍巖的深部微細(xì)裂隙內(nèi)，漿材膠凝后將松散、破碎的煤巖體膠結(jié)在一起，起到擠壓充填、粘接補(bǔ)強(qiáng)且具有一定塑性變形能力的作用。

2.3 注漿鉆孔布置

注漿孔開(kāi)孔位于頂板以下2.0m，孔間距2.5m，孔深6m。鉆孔垂直工作面方向上仰20～23°，以終孔進(jìn)入頂板1m為準(zhǔn)，每一循環(huán)鉆孔布置要與前一循環(huán)成交叉五花布置。

2.4 注漿參數(shù)

①注漿終壓

根據(jù)圍巖條件與類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，確定6m注漿孔注漿終壓為：3～5MPa。

②注漿擴(kuò)散半徑 R=（γgha/2s+a）β

式中：γ為水的容重，g為重力加速度，s為漿液剪切強(qiáng)度，

h為注漿壓力，a為巖層的間隙等值半徑，β為時(shí)間系數(shù)

實(shí)際施工時(shí)通過(guò)調(diào)整漿液的膠凝速度、滲透性和注漿終壓，保證實(shí)際有效擴(kuò)散半徑不小于1.5m。

③單孔吃漿量Q=AπR2 L n B

式中：A為損耗系數(shù)，R為有效擴(kuò)散半徑，L為注漿段長(zhǎng)，

n為開(kāi)口孔隙率，B為漿液充填系數(shù)

預(yù)定每孔注漿量為300～350kg。如果單孔注漿量達(dá)到了設(shè)計(jì)數(shù)量而未達(dá)到設(shè)計(jì)終壓時(shí)，停止注漿，以設(shè)計(jì)量為準(zhǔn)。

2.5 打眼和注漿設(shè)備

注漿泵和淺眼幫錨桿機(jī)采用壓風(fēng)作動(dòng)力，用φ25mm高壓膠管將壓風(fēng)接至注漿或打眼地點(diǎn)，前端加裝φ25mm高壓球閥。

打眼設(shè)備：工作面煤壁及頂板采用風(fēng)動(dòng)錨桿機(jī)鉆眼，配φ28mm和φ32mm相應(yīng)規(guī)格的鉆頭。

注漿設(shè)備：采用ZBQ-5/12型風(fēng)動(dòng)雙液注漿泵，技術(shù)參數(shù)如下。

型號(hào) 壓力比 最大排量(L/min)供氣壓力(MPa)(m3/min)質(zhì)量(kg)外形尺寸(mm)耗氣量ZBQ-5/12 65:1 20 0.2～0.6 1.5 60 900×400×730

2.6 注漿施工工藝

標(biāo)孔→鉆孔→檢查鉆孔質(zhì)量→安裝注漿管及封孔部件→封孔→準(zhǔn)備漿液→開(kāi)泵注漿→凝固→檢查注漿質(zhì)量→驗(yàn)收。

注漿量：工作面注漿量按循環(huán)計(jì)算。每循環(huán)預(yù)計(jì)需打孔5個(gè)（按注漿范圍為12.5m），用量為1.75噸。預(yù)計(jì)走完構(gòu)造段（約75m）需25個(gè)循環(huán)，預(yù)計(jì)總注漿用量43.75噸。

3 效果分析

通過(guò)使用局部短壁注漿的方法，且注漿孔1.5m范圍內(nèi)能形成較硬的黏結(jié)層，煤機(jī)割煤后煤壁基本不片幫漏頂，壓縮了維護(hù)頂板的時(shí)間，減少了人員維護(hù)頂板的材料費(fèi)用支出，采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率由原來(lái)的18%提高到52%，經(jīng)濟(jì)效益和安全效益顯著。

4 結(jié)論

工作面注漿技術(shù)具有成本低、操作簡(jiǎn)單節(jié)省材料，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，黏結(jié)效果良好等特點(diǎn)。該技術(shù)的應(yīng)用，使工作面局部頂板破碎地點(diǎn)頂板得到了有效控制，保證了安全生產(chǎn)，該工藝可使煤體有效凝結(jié)，防止煤壁片幫漏頂，大幅度提高工作面推進(jìn)速度,大大降低被頂材料損耗，改善工人工作量，在三軟煤層、破碎頂板采煤工作面有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。