趙莊礦大采高工作面超前深孔注漿加固技術(shù)

劉 洋

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048006)

趙莊煤業(yè)主采3#煤層，采用大采高采煤技術(shù)，煤層上賦存一層極不穩(wěn)定的泥巖(夾矸)，由于復(fù)合煤層頂板的存在，造成該煤層頂板具有遇水膨脹、風(fēng)化等特性，使得工作面在回采過程中面臨大面積片幫、冒頂?shù)仁鹿?，影響工作面正常回采[1]. 當(dāng)工作面推進(jìn)過程中遇到構(gòu)造區(qū)時(shí)，工作面液壓支架很難有效支撐頂板，頂板、煤幫在長(zhǎng)時(shí)間缺少支護(hù)的條件下極易造成冒頂事故[2-3]. 在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為避免大面積冒頂、片幫事故，工作面常采用單體支柱配合板梁做臨時(shí)支護(hù)，但該方法需要人工進(jìn)入煤壁作業(yè)，需要人工多、工作量大，嚴(yán)重威脅工人的人身安全。因此，為防止工作面發(fā)生冒頂、片幫事故，解決工作面難以安全高效通過構(gòu)造區(qū)等問題，以趙莊礦1307大采高工作面為工程背景，對(duì)大采高工作面構(gòu)造區(qū)進(jìn)行超前深孔注漿加固技術(shù)研究。

1 工程概況

趙莊礦1307大采高綜采工作面位于一盤區(qū)，開采3#煤層，煤層厚度為4.60～6.10 m，平均煤厚5.36 m，煤層傾角為0°～5°，平均3°，煤層上部有夾矸，厚度1.5～3.0 m. 工作面為一進(jìn)一回通風(fēng)方式，其中，13071巷為進(jìn)風(fēng)巷、運(yùn)煤巷，13072巷為回風(fēng)巷、運(yùn)料巷，工作面東側(cè)為第二回風(fēng)巷(已掘)，北側(cè)為掘進(jìn)未回采的1308工作面，南側(cè)為回采完畢的1306工作面。工作面具體布置見圖1.

圖1 工作面布置圖

2 深孔注漿加固機(jī)理分析

2.1 大采高工作面片幫冒頂機(jī)理

在工作面推進(jìn)過程中，頂板壓力在不斷的變化、重新分布。工作面頂板巖層呈現(xiàn)出“彎曲下沉—懸臂—垮落”的周期來(lái)壓循環(huán)過程，工作面支架和前方煤體承擔(dān)著大部分上覆巖層自重。工作面前方煤體在超前支承壓力的作用下產(chǎn)生變形，同時(shí)受頂板變形、回轉(zhuǎn)下沉的擠壓進(jìn)一步發(fā)生松動(dòng)變形，甚至發(fā)生破壞[4]. 因此，在工作面揭露這部分煤體時(shí)，特別是支護(hù)不及時(shí)、采動(dòng)影響較大時(shí)，便會(huì)造成煤壁大塊煤體脫落的片幫現(xiàn)象，同時(shí)還會(huì)伴隨頂板垮落的冒頂現(xiàn)象。尤其當(dāng)工作面前方存在構(gòu)造區(qū)時(shí)，便會(huì)造成大面積片幫、冒頂事故。

2.2 注漿加固機(jī)理及注漿時(shí)機(jī)選取

隨著注漿加固材料的多元化、注漿技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤巖體注漿加固已成為巷道圍巖控制、工作面片幫防治的重要手段。其注漿加固機(jī)理主要體現(xiàn)在：提高破碎煤巖體弱面的黏聚力和內(nèi)摩擦角，增大煤巖體間的位移阻力；漿液凝固后使得原本破碎的煤巖體重新膠結(jié)，再次形成了具有一定承載能力的承載結(jié)構(gòu)；注漿加固后，封閉了破碎煤巖體的裂隙，防止地下水、空氣等的進(jìn)入，保證煤巖體不受水氣因素的侵蝕、風(fēng)化影響。

工作面超前支承壓力和采動(dòng)的影響，使得煤巖體裂隙發(fā)育、孔隙率增加，這為注漿材料漿液的填充提供了通道，為注漿加固提高破碎巖體的強(qiáng)度提供可能。反之，如果煤巖體裂隙不發(fā)育、孔隙率過小，漿液無(wú)法擴(kuò)散，將會(huì)造成注漿加固工程的失敗。因此，在實(shí)施注漿加固時(shí)，注漿時(shí)機(jī)的選取尤為重要。

注漿時(shí)機(jī)選取應(yīng)根據(jù)超前支承壓力分布特征、裂隙發(fā)育特征以及可注性分析確定。趙莊礦1307工作面超前支承壓力的影響范圍約為工作面前方55 m，劇烈影響范圍約為工作面前方20 m，峰值位置約為工作面前方8 m處，見圖2.

圖2 1307大采高工作面超前支承壓力分區(qū)特征圖

超前支承壓力區(qū)按照應(yīng)力值大小，可以分為4個(gè)區(qū)域，各區(qū)域裂隙發(fā)育情況及煤體可注性分析見表1.

表1 工作面超前區(qū)域裂隙發(fā)育及煤體可注性分析表

由表1可以看出，工作面前方20 m以內(nèi)容易從工作面漏漿；工作面前方55 m以外裂隙不發(fā)育，可注性極差，均不適宜注漿。工作面前方20～55 m較為適合，在超前支撐壓力作用下裂隙較為發(fā)育，漿液擴(kuò)散性較好，此時(shí)注漿可以明顯提高注漿效果。由于裂隙不斷發(fā)育，因此在此范圍內(nèi)注漿越晚越好，最佳注漿時(shí)機(jī)確定為工作面前方20～40 m.

3 注漿方案設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)及參數(shù)

在13071巷、13072巷中沿巷道走向各進(jìn)行60 m范圍的深孔注漿加固，在13071巷中布置鉆孔的起始位置為距工作面320 m，在13072巷中布置鉆孔的起始位置為距工作面200 m，鉆孔提前布置，注漿隨工作面推進(jìn)，到達(dá)最佳注漿時(shí)機(jī)時(shí)再進(jìn)行注漿。各巷中均布置兩排鉆孔，鉆孔深度約115 m，鉆孔孔徑75 mm，每排鉆孔空間間距10 m，鉆孔覆蓋范圍均為60 m，鉆孔“三花眼”布置，下排鉆孔開孔位置距巷道底板2.5 m，鉆孔仰角1°，上排鉆孔開孔位置距巷道底板5.5 m，鉆孔仰角2°，鉆孔施工需架設(shè)平臺(tái)。具體鉆孔布置示意圖見圖3，圖4.

圖3 鉆孔布置剖面圖

圖4 鉆孔布置平面圖

3.2 注漿加固材料

深孔注漿材料為晉煤技術(shù)研究院研發(fā)的聯(lián)邦加固I號(hào)，該材料為單液注漿材料，水灰比為0.6，材料流動(dòng)性好，能夠滿足深孔較長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散；細(xì)度高，在細(xì)微裂隙中運(yùn)動(dòng)不會(huì)因物料顆粒大而出現(xiàn)水、料分離現(xiàn)象；材料擴(kuò)散范圍大，漿液滲透半徑達(dá)5～8 m，能確保工程質(zhì)量；材料強(qiáng)度高、增長(zhǎng)快，1 d抗壓強(qiáng)度19 MPa，3 d抗壓強(qiáng)度28 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度32 MPa.

深孔注漿的封孔材料選用聯(lián)邦加固Ⅰ號(hào)(雙液)材料，是一種新型雙液無(wú)機(jī)注漿材料。該封孔材料具備快凝、早強(qiáng)、高滲透性、結(jié)石率高等特性。兩種漿液在混合前，6 h內(nèi)漿液不凝固、不泌水、不沉淀；兩種漿液混合后，0～5 min失去流動(dòng)性，5～15 min完全固化，1 h煤體固結(jié)抗壓強(qiáng)度5.2～5.8 MPa，滿足深孔注漿加固工程中的封孔需求。

3.3 注漿設(shè)備

注漿系統(tǒng)由兩個(gè)氣動(dòng)攪拌桶QB260，1個(gè)盛漿桶，1臺(tái)ZBYSB190/32-55型的雙液液壓注漿泵以及相應(yīng)的管路和混合器組成。兩個(gè)攪拌桶預(yù)制漿液后交替向盛漿桶內(nèi)放漿，保證漿液充足，之后漿液由注漿泵送至注漿區(qū)域。深孔封孔時(shí)將單液注漿材料換為雙液封孔材料即可。深孔的注漿壓力一般情況下為20～25 MPa，圍巖破碎，漏漿嚴(yán)重時(shí)可適當(dāng)減低注漿壓力，可調(diào)整為15～20 MPa. 深孔的注漿壓力一般根據(jù)注漿速率調(diào)整泵壓。注漿設(shè)備及流程見圖5.

圖5 注漿設(shè)備流程圖

3.4 工程效果檢驗(yàn)

3.4.1注漿量

13071巷共實(shí)施13個(gè)深孔，鉆孔進(jìn)尺1 495 m，消耗注漿材料250 t，平均單孔注漿量19.2 t，最大單孔注漿量30 t.

13072巷共實(shí)施13個(gè)深孔，鉆孔進(jìn)尺1 495 m，消耗注漿材料225 t，平均單孔注漿量17.3 t，最大單孔注漿量25 t.

3.4.2效果考察

1) 注漿完畢后，開始回采1307工作面，大部分區(qū)域煤壁平直、頂板完好，工作面經(jīng)過60 m注漿區(qū)域，共發(fā)生小范圍片幫、漏頂12架次，最大片幫深度不超過1.5 m，最大漏頂高度不超過1 m，與類似條件未注漿的1306工作面對(duì)比，1306工作面通過60 m構(gòu)造區(qū)，共發(fā)生片幫、漏頂44余次，事故率降低73%.

2) 1307工作面經(jīng)過60 m注漿區(qū)域，共使用化學(xué)漿440桶，而類似條件未注漿的1306工作面推進(jìn)相同長(zhǎng)度，使用化學(xué)漿2 400桶，化學(xué)漿使用量減少82%.

3) 1307工作面經(jīng)過60 m注漿區(qū)域用時(shí)12 d，而類似條件未注漿的1306工作面推進(jìn)60 m用時(shí)30 d，推進(jìn)速度提高60%.

4 結(jié) 論

1) 依據(jù)趙莊礦1307工作面超前支承壓力分布特征以及煤體可注性，分析了合理注漿時(shí)機(jī)，認(rèn)為工作面前方20～55 m為適合注漿的區(qū)域，進(jìn)一步確定最佳注漿時(shí)機(jī)為工作面前方20～40 m.

2) 深孔注漿材料選用聯(lián)邦加固I號(hào)(單液)材料，具備超細(xì)、高滲特性，能夠在深孔中充分?jǐn)U散；封孔材料選擇聯(lián)邦加固Ⅰ號(hào)(雙液)材料，具備速凝、早強(qiáng)特性，滿足快速封孔需要。

3) 將1307工作面實(shí)施60 m注漿加固區(qū)域，與類似條件未注漿的1306工作面推進(jìn)60 m相比，片幫冒頂次數(shù)減少73%，化學(xué)漿使用減少82%，工作面推進(jìn)速度提高60%，超前深孔注漿加固效果明顯。