大采高工作面超前深孔注漿應(yīng)用研究

段鵬坤

(山西晉煤集團(tuán) 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048000)

大采高一次采全高技術(shù)具有回采率高、含矸率低、利于集中生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)厚煤層高效開(kāi)采的主流方式。隨著采高的增加，煤壁片幫問(wèn)題逐漸突出，成為限制發(fā)揮大采高優(yōu)勢(shì)的主要難題[1-2]. 注漿加固可以改善裂隙發(fā)育煤壁的整體性，有效地控制煤壁片幫，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤壁注漿加固研究取得了一定的研究成果，王江峰等[3]采用超細(xì)水泥在趙莊某工作面回撤通道開(kāi)展注漿加固試驗(yàn)，片幫得到了良好控制；楊進(jìn)鵬[4]針對(duì)某礦大采高綜采面仰斜推進(jìn)煤壁片幫現(xiàn)象，在工作面煤壁布置深度為4.5 m的注漿孔，配合錨桿進(jìn)行片幫治理；成辰欣等[5]針對(duì)大傾角仰采工作面片幫問(wèn)題，采用高分子化學(xué)注漿材料，在工作面布置3 m深的鉆孔對(duì)煤體和頂板進(jìn)行加固，有效控制了煤壁的片幫。上述研究工藝均為工作面的淺孔工藝，需要工作面停產(chǎn)施工，有較大安全隱患；化學(xué)漿溫度高、價(jià)格貴，會(huì)產(chǎn)生有毒氣體；同時(shí)該工作常作為一種應(yīng)急手段，不能起到預(yù)防的作用。通過(guò)研究大采高工作面超前支承應(yīng)力的分布特征，研發(fā)了一種深孔注漿材料，配合相應(yīng)的深孔注漿工藝，提前改善煤壁裂隙發(fā)育情況，以減少工作面片幫問(wèn)題。

1 工程概況

趙莊礦1307工作面主采3#煤層，煤層平均厚度為5.36 m，煤層傾角為0°～5°，平均3°，埋藏深度為463.9～673.9 m. 采用大采高采煤技術(shù)，片幫嚴(yán)重。

2 采動(dòng)影響下煤體變形破壞規(guī)律模擬研究

煤體裂隙是漿液在煤巖體中流動(dòng)的主要通道，對(duì)注漿效果有著顯著的影響，因此有必要對(duì)工作面前方裂隙的發(fā)育及分布規(guī)律進(jìn)行研究，找到合理的注漿鉆孔布置方式以及注漿時(shí)機(jī)。

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)1307工作面超前支承壓力進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以實(shí)際條件為依據(jù)建立模型并施加邊界條件。為了避免受到模擬軟件對(duì)單元數(shù)的限制，同時(shí)提高運(yùn)算速度，可將模型上部巖層簡(jiǎn)化為均布載荷施加在模型的上部邊界。

1) 模型建立。

依據(jù)趙莊礦1307工作面地質(zhì)條件創(chuàng)建模型，坐標(biāo)原點(diǎn)布置在煤層底板，以煤層走向?yàn)閤軸方向，以煤層傾向?yàn)閥軸方向，巖層的垂直方向?yàn)閦方向。

煤層上覆巖層取6層巖石，共計(jì)23 m，煤層厚度為5 m，底部取一層巖石，厚度為14 m. 整體模型是尺寸為x 320 m×y 1 m×z 42 m的平面應(yīng)變模型。

2) 物理力學(xué)參數(shù)。

將煤體以及各個(gè)巖層視為彈塑性體，當(dāng)巖體受到的應(yīng)力小于自身屈服應(yīng)力時(shí)，各巖層屬于彈性變形；當(dāng)所受應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力時(shí)，各巖層進(jìn)入塑性變形。模型采用莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則進(jìn)行求解，進(jìn)行數(shù)值解算時(shí)所用到的煤巖體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

3) 邊界條件。

模型的前后左右4個(gè)面施加水平方向的約束，即水平位移為零，允許邊界結(jié)點(diǎn)沿垂直方向運(yùn)動(dòng)；模型下邊界約束垂直位移。根據(jù)模型埋深，原巖自重應(yīng)力作用在上部邊界。在靜水平條件下，可認(rèn)為作用在巖層上的水平應(yīng)力和垂向應(yīng)力相等。在前后左右4個(gè)邊界，沿z軸方向，初始應(yīng)力按梯度分布。

模型初始應(yīng)力平衡后，對(duì)煤層進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖長(zhǎng)度分為40 m、60 m、80 m、100 m和120 m，研究超前支承壓力的分布規(guī)律及特征。超前支承壓力的分布曲線見(jiàn)圖1.

圖1 超前支承壓力曲線圖

由圖1可知，隨著工作面的推進(jìn)，超前支撐應(yīng)力峰值逐漸增大，應(yīng)變峰值位置逐漸前移，當(dāng)推進(jìn)度為100 m時(shí)，應(yīng)力峰值穩(wěn)定至40.2 MPa，峰值位置穩(wěn)定在工作面前方8.5 m左右，超前支承壓力的影響范圍為工作面前方50 m.

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)及效果考察

對(duì)采動(dòng)影響下煤體變形破壞規(guī)律的研究，可以得出超前支承應(yīng)力的分布規(guī)律，了解煤體在距工作面不同位置時(shí)所處的應(yīng)力環(huán)境。據(jù)此，結(jié)合工作面的實(shí)際需求，確定注漿位置、注漿時(shí)機(jī)以及注漿范圍。

3.1 鉆孔布置方式

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程情況可以發(fā)現(xiàn)，1307工作面上方賦存一層極不穩(wěn)定的泥巖(夾矸)，泥巖上又賦存一層煤線，工作面局部需要仰采通過(guò)，且復(fù)合煤層頂板遇水易膨脹風(fēng)化，頂板管理難度極大。在13071巷及13072巷掘進(jìn)過(guò)程中即出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的片幫冒頂現(xiàn)象。13072巷中高冒區(qū)起始位置距工作面切眼約1 437 m，13071巷中高冒區(qū)起始位置距工作面切眼約1 540 m.

分別在13071巷及13072巷中沿巷道走向各進(jìn)行60 m范圍的深孔注漿加固，見(jiàn)圖2. 在13071巷中布置鉆孔的起始位置為距切眼1 640 m，在13072巷中布置鉆孔的起始位置為距切眼1 520 m，兩條巷道中均布置兩排鉆孔，孔深均約115 m，鉆孔孔徑75 mm，每排鉆孔間距10 m，鉆孔覆蓋范圍均為60 m，鉆孔“三花眼”布置，13071巷及13072巷中鉆孔布置平面圖見(jiàn)圖3.

圖2 1307工作面兩順槽內(nèi)超前深孔注漿范圍示意圖

圖3 兩順槽中鉆孔布置平面圖

對(duì)13071巷通進(jìn)行鉆孔布置，13072和13071兩條巷通鉆孔布置參數(shù)一致。下排鉆孔開(kāi)孔位置距巷道底板1 m，孔間距5 m，上排鉆孔開(kāi)孔位置距巷道底板3 m，孔間距10 m. 13071巷鉆孔布置示意圖見(jiàn)圖4.

圖4 13071巷鉆孔布置示意圖

3.2 注漿時(shí)機(jī)

煤體的可注性嚴(yán)重影響著注漿加固效果。若注漿范圍內(nèi)的煤體未受到采動(dòng)影響，裂隙不發(fā)育，空隙連通性差，則注漿會(huì)十分困難，即使通過(guò)加大注漿壓力能夠?qū){液注進(jìn)煤體，以劈裂注漿形式注漿，也可能破壞煤體現(xiàn)有完整性，注漿后的煤體強(qiáng)度未必有原始煤體強(qiáng)度高，工作面推來(lái)后還要經(jīng)歷強(qiáng)烈的采動(dòng)影響，使得加固后的煤體再次發(fā)生破壞，使注漿失效，不能有效預(yù)防片幫；如果裂隙過(guò)度發(fā)育，煤體基本喪失承載能力，則造成嚴(yán)重漏漿，也達(dá)不到理想的注漿效果。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，確定合理的注漿時(shí)機(jī)為注漿鉆孔距工作面20～30 m處。

3.3 注漿材料

針對(duì)深孔注漿特點(diǎn)，對(duì)材料性能要求如下：

1) 材料超細(xì)，以提升漿液流動(dòng)性，提高強(qiáng)度。

2) 一定時(shí)間內(nèi)較好的流動(dòng)性，以滿足漿液遠(yuǎn)距離輸送、深孔內(nèi)充分?jǐn)U散的需求。

3) 強(qiáng)度快速增長(zhǎng)，因大采高工作面推進(jìn)速度快，要求注漿后立刻見(jiàn)效。

4) 強(qiáng)度高。材料固結(jié)后強(qiáng)度越高，加固效果越好。

5) 一定的黏結(jié)性能可以保持結(jié)構(gòu)完整性。

根據(jù)對(duì)材料的要求，研發(fā)了一種高滲、高強(qiáng)無(wú)機(jī)注漿材料，以超細(xì)硅酸鹽水泥為主要成分。通過(guò)比表面積測(cè)定儀測(cè)得該注漿材料的比表面積為815 m2/kg；通過(guò)對(duì)材料黏度和流動(dòng)度的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)加水?dāng)嚢韬?0 min內(nèi)，黏度小，流動(dòng)大；對(duì)材料的凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其初凝時(shí)間為2.5 h，終凝時(shí)間為8 h；對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，強(qiáng)度增長(zhǎng)特征見(jiàn)圖5，發(fā)現(xiàn)1 d、3 d和7 d的強(qiáng)度分別為19 MPa、28 MPa和32 MPa. 可見(jiàn)，該新型無(wú)機(jī)注漿材料能夠滿足深孔注漿的要求。

圖5 材料強(qiáng)度增長(zhǎng)特征曲線圖

3.4 注漿設(shè)備及系統(tǒng)

深孔注漿泵使用的是鎮(zhèn)江長(zhǎng)城注漿設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為ZBYSB190/32-55的液壓注漿泵，注漿壓力0～32 MPa，最大流量190 L/min，注漿系統(tǒng)見(jiàn)圖6. 系統(tǒng)由兩個(gè)氣動(dòng)攪拌桶QB260，1個(gè)盛漿桶，1臺(tái)液壓注漿泵以及相應(yīng)的管路和混合器組成。攪拌桶及盛漿桶可以采用鐵桶加工，兩個(gè)攪拌桶交替向盛漿桶內(nèi)放漿。

圖6 注漿系統(tǒng)示意圖

3.5 注漿效果

為了觀察注漿加固后漿液與煤巖體的膠結(jié)情況，在13072巷注漿區(qū)域進(jìn)行了鉆孔窺視，窺視結(jié)果見(jiàn)圖7.

由圖7可以看出，注漿后鉆孔成孔效果較好，煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整、緊密，注漿加固效果良好。

圖7 注漿后鉆孔窺視結(jié)果圖

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)工作面實(shí)際地質(zhì)情況，建立數(shù)值模型，分析可知，1307工作面超前支承壓力的應(yīng)力峰值位于工作面前方8.5 m左右的位置，影響范圍為工作面前方50 m左右。

2) 根據(jù)深孔注漿要求對(duì)材料的細(xì)度、黏度、流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度等進(jìn)行研究，研發(fā)了一種性能滿足深孔注漿的注漿材料。

3) 通過(guò)設(shè)計(jì)合理的注漿鉆孔布置、注漿時(shí)機(jī)、注漿設(shè)備及系統(tǒng)，形成科學(xué)可行的方案。施工完成后，進(jìn)行了鉆孔窺視，結(jié)果顯示，注漿效果良好。