大采高工作面末采階段聯(lián)合注漿加固技術(shù)

馬 賽，陶廣美，史中剛

(1.山西晉煤集團技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006； 2.山西晉城煤業(yè)集團寺河煤礦，山西 晉城 048200)

由于寺河礦回采銜接緊張，撤架通道往往提前掘成，在工作面接近撤架通道時，工作面回采應(yīng)力對撤架通道和兩者之間的煤體產(chǎn)生強烈擾動，礦壓顯現(xiàn)劇烈，煤體受損[1，2]，加之末采階段回采工序增加，推進速度變慢，很容易引起工作面片幫、漏頂，進而影響工作面液壓支架的順利回撤[3-6]。片幫、漏頂不僅影響了工作面的回采進度，影響生產(chǎn)及回采銜接，甚至?xí)?dǎo)致事故的發(fā)生。采取有效措施，防止工作面在末采階段出現(xiàn)片幫、漏頂，具有重要意義[7，8]。

以往，寺河礦大采高工作面在進行末采時，為確保支架安全順利撤出，采用末采掛柔性網(wǎng)、補打錨桿錨索、末采通道注入有機加固材料、增強礦壓觀測等方式[9-12]，但該種方式有機加固材料用量大，成本高昂。如何在保證末采階段安全回采的前提下降低注漿成本，對寺河礦安全高效回采意義重大。因此，通過研發(fā)并應(yīng)用一種新型無機加固材料大范圍替代有機加固材料，實現(xiàn)以無機加固為主、有機加固為輔的聯(lián)合注漿加固技術(shù)，較好地解決了注漿成本問題，并極大地提高了末采效率。

1 大采高末采工作面概況

寺河礦主采3#煤層，煤層平均厚度6m，煤層傾角為0°～10°，平均3°，直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，老頂為細(xì)粒砂巖，直接底為粉砂巖，老底為細(xì)粒砂巖。5303大采高工作面共布置五條回采巷道，采用“三進兩回”U型通風(fēng)系統(tǒng)，工作面回采巷道沿煤層底板布置。主撤巷道斷面寬4.5m，高3.8m，運輸巷斷面寬5.8m，高3.8m，軌道巷斷面寬5m，高3.8m。5303大采高工作面巷道布置方式如圖1所示。

圖1 5303大采高工作面巷道布置圖

末采階段工作面采動壓力較集中，工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，尤其對于大采高工作面，工作面在末采階段會采取降采高的措施以貫通主撤巷道，因此，工作面頂板就會存在一定厚度的煤層，頂板在礦山壓力作用下容易下沉和冒落，引起煤壁片幫，支架壓死，甚至冒頂事故的發(fā)生；同時，受超前支承壓力的影響，主撤巷道將經(jīng)受動壓的嚴(yán)峻考驗，巷道變形破壞嚴(yán)重，給回撤工作帶來危險和困難，制約著安全生產(chǎn)的順利進行。

2 注漿加固方案

2.1 無機注漿加固方案

2.1.1 無機注漿鉆孔布置方式

通過寺河礦大采高工作面末采期間無機注漿加固實踐，并結(jié)合寺河礦具體條件，基本形成了針對寺河礦大采高工作面末采注漿加固方案。具體鉆孔方案布置以5303工作面為例，W2302工作面、4304工作面、W1308工作面鉆孔布置方式與此類同。鉆孔布置方案采取主撤巷打設(shè)30m鉆孔、機尾側(cè)回采巷道打設(shè)80m鉆孔的方式進行。主撤巷道30m鉆孔采用“三花”布置，下排鉆孔開孔高度距底板1.5m，仰角0°，排距4m；上排鉆孔開孔高度距底板2.5m，仰角6°，排距4m。機尾側(cè)回采巷道80m鉆孔采用“三花”布置，下排鉆孔開孔高度距底板1.5m，仰角1°，排距4m；上排鉆孔開孔高度距底板2.5m，仰角1°，排距4m。末采無機注漿鉆孔布置如圖2所示。

圖2 末采無機注漿鉆孔布置平面圖

2.1.2 無機注漿加固材料

無機注漿加固材料以超細(xì)硅酸鹽水泥為主要成份，是一種高滲、高強無機注漿材料，其施工特性、早期強度與煤巖體固結(jié)能力較普通硅酸鹽水泥有很大提高。材料在加水?dāng)嚢韬?0～40min流動性較好，約2～3h完全失去流動性，滿足短時間存放及泵送，深孔較長時間擴散的要求；10～12h完全硬化，1d抗壓強度可以達到近19MPa，7d強度可以達到32MPa，可以滿足現(xiàn)場的需要。對材料固結(jié)煤樣進行強度測試，得到其1d強度為15.2MPa，3d強度為26.1MPa，7d強度為28.0MPa。

2.1.3 無機注漿工藝參數(shù)

1)注漿工藝系統(tǒng)：注漿泵采用液壓式電動注漿泵，額定注漿壓力達20MPa，額定流量100L/min，注漿工藝系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 無機注漿加固工藝系統(tǒng)圖

2)注漿參數(shù)：①注漿材料水灰比為0.6∶1；②注漿壓力一般情況下為4～10MPa，根據(jù)注漿速率調(diào)整泵壓；③單孔注漿量原則上需一直注至壓力上限為止，如果注漿時間過長，注漿量過大，則應(yīng)考慮是否存在漏漿通道，深孔注漿壓力達到15MPa并保持穩(wěn)定，即認(rèn)為該孔注滿。

2.2 有機注漿加固方案

2.2.1 有機注漿加固材料

有機注漿加固材料為雙組份聚氨酯材料，A組份為聚醚樹脂混合物，B組份為聚合MDI混合物。該材料具有凝固時間可調(diào)、發(fā)泡或不發(fā)泡可以定制、適用性針對性強、強度高等優(yōu)點。

2.2.2 有機注漿鉆孔布置方式

在主撤巷道內(nèi)向工作面煤體布設(shè)鉆孔，主要選取控頂面積較大、煤體變形較為嚴(yán)重、主撤巷道與工作面兩回采巷道連接處等重點部位進行補注。鉆孔仰角為25°，鉆孔深度6～8m，終孔位置見矸。

2.2.3 有機注漿工藝參數(shù)

1)注漿工藝系統(tǒng)：有機注漿工藝系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 有機注漿工藝系統(tǒng)圖

2)注漿參數(shù)：①注漿體積比1∶1；②一般情況下注漿壓力為6～8MPa，可根據(jù)具體施工情況進行調(diào)整。

3 5303工作面注漿加固效果

3.1 主撤巷道變形情況分析

用“十字布點法”監(jiān)測兩幫變形情況，如圖5所示。由圖5可以看出，主撤巷距工作面150m至90m時，巷道兩幫變形量不大，但其變化速度逐漸加快，考慮是超前支承壓力峰值點逐漸向主撤巷靠近的緣故。在主撤巷距工作面還有90m時，進行無機注漿加固。由圖5可以看出，注漿開始后，兩幫移近速度并沒有減慢，這與注漿材料的硬化時間有關(guān)，該材料經(jīng)過24h方可保證其強度。主撤巷距工作面還有80m時，兩幫移近速度明顯減緩，注漿材料發(fā)揮作用，按照注漿之前的曲線走勢，預(yù)計當(dāng)主撤巷距工作面40m時，兩幫移近量將達到100mm，由此可以看出注漿效果非常明顯。因礦方要求主撤巷距工作面還有40m時，主撤巷禁止人員進入，因此40m之后沒再進行監(jiān)測。

圖5 主撤巷兩幫移近量變化曲線

3.2 煤壁片幫情況分析

工作面距主撤巷還有40m時，進入注漿加固區(qū)域。回采該區(qū)域歷時5d，現(xiàn)將每天工作面的片幫情況進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

由表1可以看出，工作面在向主撤巷道推進的過程中，片幫的數(shù)量以及深度呈增加趨勢，這是由于煤柱變薄，承載能力降低的緣故，是無法避免的?？傮w上，工作面在推進過程中保持齊整，雖有片幫現(xiàn)象的發(fā)生，但并不影響安全和生產(chǎn)。片幫深度均沒有超過1.5m。工作面最后15m僅用了3d時間便全部回采完畢，實現(xiàn)了工作面與主撤巷的快速貫通，而以往的未注漿工作面末采均需耗時15d左右，且安全隱患突出，可見，工作面末采注漿工程改善工作面煤壁片幫、冒頂問題的同時，大大減少了工作面末采時間，提高了工作效率。

3.3 其他工作面注漿效果

除5303工作面之外，對注入新型無機加固材料的W2302工作面、W1308工作面和4304工作面均進行了注漿效果考察。在工作面后40m范圍，隨工作面回采，能明顯看到漿液填充裂隙。觀察主撤巷道垛式支架壓力，也均控制在安全范圍之內(nèi)，工作面在末采過程中沒有出現(xiàn)大的片幫和漏頂，保證了工作面安全順利末采。

4 末采效率效益分析

4.1 末采效率分析

將采用新型無機注漿加固材料的W2302工作面、5303工作面、4304工作面和W1308工作面同單純使用有機注漿加固材料的W1306工作面、W1304工作面和W2301工作面進行末采效率的對比分析，結(jié)果見表2。

表2 注入新型無機加固材料前后工作面末采時間對比

對末采時間進行對比分析可知，粗略計算，僅注有機加固材料時，每個工作面的末采時間平均為6.3d，注新型無機材料與有機加固材料時，每個工作面的末采時間平均為6.125d。將每個工作面的長度考慮進去，W1304工作面長187m，W1306工作面長98m，W2301工作面長225m，按每100m工作面長度所需末采時間進行折算，則僅注有機加固材料時，每采100m工作面，需末采時間3.7d；而W2302、W1308、5303與4304工作面長度分別為300m、186m、220m、300m，注新型無機材料后，每采100m工作面，需末采時間2.4d，效率提高了35%。

4.2 經(jīng)濟效益分析

將采用新型無機注漿加固材料的W2302工作面、5303工作面、4304工作面和W1308工作面同單純使用有機注漿加固材料的W1306工作面、W1304工作面和W2301工作面進行末采經(jīng)濟效益對比分析，結(jié)果見表3。

表3 注入新型無機加固材料前后工作面末采經(jīng)濟效益對比

對末采所用注漿材料費用進行對比分析可知，粗略計算，按每噸2.4萬元進行計算，僅注有機加固材料時，每個工作面平均費用為467.52萬元；注新型無機材料與有機加固材料時，按新型無機材料費用每噸5450元，有機加固材料每噸2.4萬元進行計算，每個工作面平均費用為288.45萬元，注新型無機材料后，每個工作面節(jié)省了179萬元。將工作面長度考慮進去，每末采100m長工作面，僅注有機加固材料時，所用注漿材料費用為，(312+730.56+360)/510×100=275萬元；注新型無機材料與有機加固材料時，每末采100m長工作面，所用注漿材料費用為，(445.8+120.9+279.4+307.7)/1006×100=114.7萬元，節(jié)省了58.3%。W2302、5303、4304和W1308四個工作面共計節(jié)省1612.6萬元。

寺河礦自采用有機加固材料治理末采片幫冒頂問題以來，末采成本居高不下，6個工作面最高注漿費用744萬元，平均528.96萬元；在注入新型無機材料以后，5個工作面最高注漿費用445.8萬元，平均265.88萬元，經(jīng)濟效益十分明顯。

5 結(jié) 論

1)形成了寺河礦大采高工作面末采階段注漿加固鉆孔整體布置思路。以W2302、4304、5303和W1308四個工作面為試驗對象，形成了在工作面距主撤架通道40m范圍，在主撤架通道打設(shè)30m淺孔、機尾側(cè)回采巷道打設(shè)80m深孔進行注漿加固的鉆孔布置方式。

2)形成了無機注漿加固材料為主、有機注漿加固材料為輔的綜合治理思路。通過在中部及以下煤體大范圍整體性注入無機漿液，讓無機漿液大范圍充填滲透末采最后幾十米，從而從整體上提高煤體抗壓強度，再在主撤巷道頂幫交接處補注適量的化學(xué)漿，充分利用有機漿液的粘結(jié)性，最終無機漿液與有機漿液相互結(jié)合，達到根本治理末采片幫冒頂問題。

3)對比分析了寺河礦末采工作面注入新型無機加固材料前后的末采效率。分析得出，沒有注入新型無機材料的末采工作面，每末采100m工作面，需末采時間3.7d；注入新型無機材料后，每末采100m工作面，需末采時間2.4d，效率提高了35%。

4)對比分析了寺河礦末采工作面注入新型無機加固材料前后的經(jīng)濟效益。分析得出，沒有注入新型無機材料的末采工作面，每末采100m工作面，所需注漿材料費用275萬元；注入新型無機材料后，每末采100m工作面，所需注漿材料費用114.7萬元，注漿費用節(jié)省了58.3%。W2302、5303、4304和W1308四個工作面共計節(jié)省1612.6萬元。