新型無(wú)機(jī)注漿材料在大采高工作面冒頂區(qū)處理中的應(yīng)用

薛 帥

（晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西，晉城048000）

大采高工作面綜采技術(shù)具有回采工藝簡(jiǎn)單，資源回收率高，瓦斯治理難度小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為我國(guó)山西、內(nèi)蒙等礦區(qū)建設(shè)高產(chǎn)高效礦井的主要途徑之一，但是大采高工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，當(dāng)煤體、頂板較軟時(shí)，煤壁易發(fā)生片幫，難以有效支撐頂板，引起頂板大范圍冒落[1-2]，而停采會(huì)導(dǎo)致頂板破碎程度加劇。因此，在冒頂發(fā)生后，有效處理冒頂區(qū)，加固前方煤壁、頂板，是礦井高效開(kāi)采的一個(gè)重要課題。注漿加固是一種有效的冒頂區(qū)處理方式，漿體可以填充煤巖體中的裂隙，改善煤巖體結(jié)構(gòu)完整性，提高其自身承載能力[3-4]。本文以晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平礦4304大采高工作面為研究對(duì)象，針對(duì)冒頂區(qū)處理的問(wèn)題，對(duì)冒頂區(qū)施工臨時(shí)通道，采用新型無(wú)機(jī)雙液注漿材料，配合中空注漿錨索對(duì)煤壁和頂板進(jìn)行預(yù)加固，使大采高工作面安全高效通過(guò)了冒頂區(qū)。

1 工程概況

晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力600萬(wàn)t/a，開(kāi)采3#煤層，一直面臨著煤軟、頂板軟的問(wèn)題，自引進(jìn)6m的大采高后，影響更為突出。4304大采高工作面傾斜長(zhǎng)195m，走向長(zhǎng)1060m，開(kāi)采仰角4°，平均采高6m。在工作面即將推進(jìn)到主撤架通道時(shí)，遇到構(gòu)造帶，煤層松軟，再加上受周期來(lái)壓影響，煤壁上部片幫嚴(yán)重，頂板破碎，工作面距機(jī)頭30～150m范圍內(nèi)出現(xiàn)不同程度的冒頂，其中距機(jī)頭95～120m范圍內(nèi)冒頂更為嚴(yán)重，局部最大冒頂高度達(dá)6.4m。支架無(wú)法接頂，工作面停采，如圖1所示。

圖1 大采高工作面冒頂狀態(tài)示意圖

2 冒頂區(qū)處理方案

2.1 施工臨時(shí)通道

由于冒頂已經(jīng)發(fā)生，支架無(wú)法接頂，支架頂梁前方也被破碎的矸石堆積，傳統(tǒng)的工作面煤壁、頂板注化學(xué)漿加固方式已無(wú)法取得有效作用，必須對(duì)頂梁上矸石進(jìn)行清理，對(duì)前方區(qū)域進(jìn)行加固。在支架前方沿煤層頂板掘進(jìn)臨時(shí)通道，處理懸露矸石，后在臨時(shí)通道內(nèi)對(duì)通道上方頂板、前方頂板和煤壁采取注漿加固措施。

臨時(shí)通道采用炮掘工藝，沿煤層頂板掘進(jìn)，斷面為3.5m×3.0m，貫穿工作面全長(zhǎng)。采用錨網(wǎng)索支護(hù)，幫錨桿采用Φ20mm×2400mm玻璃鋼錨桿，頂錨索采用Φ22mm×8300mm高強(qiáng)度鋼絞線(xiàn)錨索，排拒均為1.0m。頂板特別破碎區(qū)域架棚支護(hù)，架棚間距1.0m，對(duì)冒落高度較大的區(qū)域使用發(fā)泡材料充填，如圖2所示。

圖2 冒頂區(qū)臨時(shí)通道施工方法及支護(hù)示意

2.2 煤壁及頂板注漿加固

通過(guò)掘進(jìn)臨時(shí)通道，對(duì)冒頂區(qū)碎矸和頂板進(jìn)行加固后，為了防止冒頂區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，必須對(duì)工作面前方破碎煤壁和頂板進(jìn)行預(yù)加固，以防止工作面向前推進(jìn)過(guò)程中，在強(qiáng)支承壓力下煤壁片幫，再次誘發(fā)冒頂。

如圖3所示在臨時(shí)通道內(nèi)，布置煤壁、頂板注漿鉆孔，其中煤壁注漿加固鉆孔布置一排，開(kāi)孔高度距臨時(shí)通道底板1.5m，鉆孔直徑Φ42mm，孔深8.0m，孔間距6.0m，孔口封孔管采用2.0m長(zhǎng)的4分鍍鋅鋼管，里面采用6.0m長(zhǎng)的鋁塑管作為注漿花管；工作面頂板每一排布置兩個(gè)鉆孔，一個(gè)垂直頂板施工，一個(gè)與頂板45°夾角，孔間距6.0m，孔深8.0m，鉆孔0～4m 孔 徑 Φ42mm，4～8m 孔 徑 Φ32mm， 采 用Φ22×8000mm的中空注漿錨索進(jìn)行頂板加固。

圖3 冒頂區(qū)煤壁及頂板注漿鉆孔布置圖

2.3 新型無(wú)機(jī)雙液注漿材料性能

采用的新型無(wú)機(jī)注漿材料為雙液注漿材料，由A、B兩組分組成，雙液混合之后1～3min失去流動(dòng)性，5～10min完全固化。在水灰比0.8：1的情況下，2h可達(dá)12MPa左右，不同水灰比下強(qiáng)度參數(shù)如圖4所示。該材料具備速凝早強(qiáng)特性，固化速度和強(qiáng)度與高分子注漿材料相當(dāng)，但使用時(shí)安全性更好，無(wú)毒腐蝕作用，注漿成本僅為聚氨酯類(lèi)高分子注漿材料的20%。此外，該類(lèi)注漿材料施工水灰比可調(diào)范圍大（0.5～2：1），即使水灰比較大時(shí)也具備較好的固化特性，結(jié)石率仍可以達(dá)到100%，適合于不同破碎程度的圍巖注漿。

圖4 新型無(wú)機(jī)注漿材料強(qiáng)度曲線(xiàn)

2.4 中空注漿錨索及工藝改進(jìn)

本次冒頂區(qū)處理頂板采用Φ22×8000mm的中空注漿錨索進(jìn)行注漿加固，錨固長(zhǎng)度1500mm，破斷力≥420kN，預(yù)緊力100kN，配套托盤(pán)400mm×400mm×16mm。

圖5 中空注漿錨索安裝示意圖

現(xiàn)有的中空注漿錨索采用止?jié){塞封孔，長(zhǎng)度僅為300mm，難以起到有效的封孔效果。冒頂區(qū)域內(nèi)注漿鉆孔孔口在止?jié){塞的作用下不發(fā)生漏漿，但淺區(qū)破碎圍巖裂隙發(fā)育，且貫通性好，因此大量漿液會(huì)從孔口0～2m范圍內(nèi)的裂隙通道漏出，造成注漿失敗。因此必須采取措施改善中空注漿錨索封孔工藝，但又不能影響錨索樹(shù)脂藥卷攪拌錨固。本次主要采用錨索錨固后，張拉之前向孔口填塞棉紗的方法，填塞長(zhǎng)度1.0～1.5m，根據(jù)圍巖破碎情況確定，漏漿嚴(yán)重時(shí)適當(dāng)增加長(zhǎng)度，如圖5所示?？看朔椒ê芎玫慕鉀Q了圍巖淺區(qū)漏漿問(wèn)題，其主要原因在于新型雙液注漿材料混合后能夠快速失去流動(dòng)性，稠度、粘度增加，很難通過(guò)填塞棉紗區(qū)域，從而封堵淺層區(qū)域。

3 注漿加固效果分析

通道上方頂板注漿鉆孔和前方頂板鉆孔各施工35排，煤壁鉆孔施工34排，平均每孔注漿干料約2.0t，漿料約3.6t，最大單孔注漿量干料約6.3t，漿料約11.3t。從注漿量上看，冒頂區(qū)破碎圍巖得到充分加固。另外注漿過(guò)程中，未發(fā)生過(guò)封孔不嚴(yán)實(shí)孔內(nèi)漏漿現(xiàn)象，漿液在完全滲流區(qū)內(nèi)擴(kuò)散至表面發(fā)生漏漿時(shí)，停泵1～2min可自行封堵，注漿終止壓力一般在8MPa左右。

注漿之后，煤壁和頂板變形明顯減小，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)，7d后煤壁累計(jì)向支架側(cè)移近20mm，頂板累計(jì)下沉25mm，煤壁和頂板得到控制。

注漿過(guò)后7d，工作面繼續(xù)推進(jìn)，煤壁片幫明顯減輕，未再次發(fā)生冒頂，工作面順利推過(guò)。

4 結(jié) 論

1）新型無(wú)機(jī)雙液注漿材料具有快速凝結(jié)、固化的特性，能夠滿(mǎn)足時(shí)效性較強(qiáng)的工程需要，且與高分子材料相比，水灰比可調(diào)，凝結(jié)速度可調(diào)，材料粘度大小可調(diào)，能夠適應(yīng)不同破碎程度圍巖注漿；

2）通過(guò)在中空注漿錨索錨固和張拉兩個(gè)工序之間填塞棉紗封孔，靠漿液的快速自封特性，解決了以往中空注漿錨索施工工藝中存在的封孔長(zhǎng)度短、孔口附近完全滲流區(qū)漏漿難以處理的問(wèn)題；

3）采用掘進(jìn)臨時(shí)通道并對(duì)前方頂板、煤壁進(jìn)行預(yù)注漿的冒頂區(qū)處理方式，成功的處理了冒頂區(qū)，對(duì)可能發(fā)生的再次冒頂事故起到了預(yù)防作用，為類(lèi)似條件下冒頂區(qū)處理提供了一種解決辦法。