注漿充填加固技術(shù)在煤礦采場圍巖控制中的應(yīng)用

彭 博 孫 超 楊茂霖 郭 煜 陳 梁

(1. 四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，四川省成都市，610091；2.重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院，重慶市沙坪壩區(qū)，400044；3.四川廣旺能源發(fā)展(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川省廣元市，628017；4.四川華鎣山龍灘煤電有限責(zé)任公司，四川省廣安市，638020)

目前，就西南地區(qū)煤層井工開采條件來看，工作面頂板冒落、工作面頂板破碎、工作面底板下滑是制約工作面正常推進(jìn)的重要因素。處理冒頂、碎頂、滑底的方法主要有注漿法、木垛法、搭棚法、硬過法、錨固法等，其中注漿充填加固方法是處理工作面冒頂、碎頂、滑底效果最有效的方法，而如何進(jìn)行注漿材料選擇、怎樣設(shè)計(jì)注漿工藝參數(shù)則是亟需解決的問題。就川煤集團(tuán)現(xiàn)狀而言，注漿加固技術(shù)在現(xiàn)場的應(yīng)用較多，但是沒有一套成型的技術(shù)規(guī)范做引導(dǎo)，也沒有成熟的理論做支撐。從注漿材料的發(fā)展來看，19世紀(jì)后期硅酸鹽水泥得到推廣應(yīng)用，20世紀(jì)中葉水玻璃、脲醛樹脂等化學(xué)注漿材料問世，進(jìn)入21世紀(jì)后高分子注漿材料成了主流[1-2]。就川煤集團(tuán)現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，反應(yīng)快、強(qiáng)度高、綠色環(huán)保、黏結(jié)力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用的高分子注漿材料是馬麗散、科力安和波雷音。主要從理論方面分析了注漿充填加固機(jī)理，比較不同注漿材料的優(yōu)缺點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件驗(yàn)證了注漿充填加固的科學(xué)性，并分別在冒頂、碎頂、滑底工作面試驗(yàn)了注漿充填加固技術(shù)，優(yōu)選注漿充填加固材料、設(shè)計(jì)注漿工藝參數(shù)、制定注漿方式方法、觀測礦壓變化，并形成工作面治理冒頂、碎頂、滑底災(zāi)害的技術(shù)規(guī)范，為現(xiàn)場應(yīng)用提供行動(dòng)指南，保障工人安全，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。

1 注漿充填加固機(jī)理

采用注漿等方法進(jìn)行地質(zhì)體改造是維護(hù)巷道穩(wěn)定的一種主動(dòng)方法，由于注漿具有良好封閉性，使其成為控制巷道變形的關(guān)鍵手段。注漿是借助于外力把漿液注入到巖體中，產(chǎn)生充填、擠壓、壓密、固結(jié)、封堵的作用，形成強(qiáng)度高、抗?jié)B性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的密實(shí)結(jié)構(gòu)體，從而達(dá)到改善巖體物理力學(xué)性質(zhì)的目的。它能夠通過改善局部圍巖的力學(xué)性能，充分調(diào)動(dòng)圍巖自身強(qiáng)度進(jìn)行自組織支護(hù)，保持圍巖穩(wěn)定。注漿作為改善巖體性質(zhì)的重要技術(shù)，能對巖體進(jìn)行加固或改性，使一定范圍內(nèi)的巖體成為工程結(jié)構(gòu)不可分割的一部分，充分挖掘巖體的承載潛力。

從力學(xué)原理和巖體破壞機(jī)制的角度，可以認(rèn)為巖體注漿加固與封閉主要有以下作用機(jī)理：

(1)漿液在泵壓、自身膨脹壓力以及微裂隙的吸滲作用下，擠壓或滲透到巖體的裂隙中，反應(yīng)固結(jié)，以固體的形式充填在裂隙中，這些充填材料在巖體內(nèi)形成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)；

(2)通過注漿可以改善弱面的力學(xué)性能，提高裂隙的粘聚力和內(nèi)摩擦角，增大巖體內(nèi)部塊體間相對位移的阻力，從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性；

(3)漿液在將一些較大的裂隙充填滿的同時(shí)將一些充填不到的封閉裂隙和小裂隙擠壓，甚至使其閉合，從而對巖體整體起壓密作用，提高圍巖的彈性模量、強(qiáng)度和密實(shí)度；

(4)利用漿液充填圍巖裂隙，配合錨噴支護(hù)，充分發(fā)揮錨桿的作用，大大減少失錨現(xiàn)象，因此能承受更大的荷載，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，擴(kuò)大支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，強(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性[3-9]。

2 頂?shù)装遄{充填加固技術(shù)數(shù)值模擬

以川煤集團(tuán)唐家河煤礦1813工作面為例建模[10]，分別模擬頂板冒落、頂板破碎、滑底現(xiàn)象在注漿充填加固技術(shù)前后的應(yīng)力分布及位移量分布，模型巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.1 頂板冒落注漿前后數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)場情況，模擬1813工作面頂板冒落5 m及頂板注漿充填加固情況。分析注漿充填前后垂向應(yīng)力分布及垂向位移分布，結(jié)果如圖1和表2所示。

由圖1和表2可知，頂板注漿對冒落區(qū)頂板應(yīng)力值起到了應(yīng)力集中作用，但是效果不甚明顯。

2.2 破碎頂板注漿前后數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)場情況，模擬工作面破碎頂板及頂板注漿充填加固情況。分析碎頂工作面注漿充填前后垂向應(yīng)力分布及垂向位移分布，如圖2和表3所示。

圖1 冒頂工作面注漿前后數(shù)值模擬分析

表2 工作面冒頂注漿前后頂?shù)装鍏?shù)比較

圖2 碎頂工作面注漿前后數(shù)值模擬分析

表3 破碎頂板注漿前后頂?shù)装鍏?shù)比較

由圖2和表3可知，注漿對破碎頂板的應(yīng)力控制有明顯效果，且能很好地控制頂板下沉量及下沉范圍。

2.3 軟弱底板注漿前后數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)場情況，模擬軟弱底板工作面及底板注漿充填加固情況。分析軟底工作面注漿充填前后垂向應(yīng)力分布及垂向位移分布，如圖3和表4所示。

由圖3和表4可知，底板注漿能有效抑制軟底開采底板底鼓，能大大減小底鼓范圍，并且對頂板應(yīng)力值有一定的影響。

表4 軟底開采注漿前后頂?shù)装鍏?shù)比較

圖3 軟底工作面注漿前后數(shù)值模擬分析

3 注漿充填加固技術(shù)在現(xiàn)場的應(yīng)用

3.1 注漿充填加固技術(shù)在冒頂區(qū)的應(yīng)用

3.1.1 現(xiàn)場情況

唐家河1813綜采面100-72#支架段因煤壁不同程度的片幫導(dǎo)致了頂板大面積的冒落。從100-80#支架發(fā)生頂板冒落，冒落高度達(dá)8～10 m，該段片幫寬度為6～8 m；80-72#支架煤壁片幫3.5 m，冒落高度2.0 m。由于采煤機(jī)從下至上牽引在采煤機(jī)上搖臂在88#支架、下?lián)u臂在77#支架處，采煤機(jī)被垮冒的矸石全部掩埋，無法開動(dòng)，導(dǎo)致工作面停產(chǎn)。

3.1.2 注漿方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場冒落情況，決定采用人造假頂和充填注漿的方法。

人造假頂布置方案設(shè)計(jì)如圖4所示，煤壁注漿孔與水平夾角30°，長度8 m；煤線注漿孔與水平夾角60°，注漿孔長度9.3 m；冒落區(qū)用鋼梁造假頂，鋼梁呈“井”字型排列，間排距為750 mm×1500 mm，鋼梁用單體支柱支撐；頂梁上方鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，需覆蓋整個(gè)假頂；預(yù)留注漿管與水平方向夾角60°，長度為9.3 m，間距為4 m[11-12]。

圖4 人造假頂布置方案設(shè)計(jì)

在支架與煤壁之間架設(shè)假頂，假頂材料可使用工字鋼梁，間距為750 mm，鋼梁呈“井”字型排列以保持假頂?shù)恼w性，在頂板破碎區(qū)域須在假頂上方安放鋼筋網(wǎng)，防止碎石滑落傷人。

3.1.3 注漿參數(shù)選擇

根據(jù)圍巖條件與類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定注漿終壓為4 MPa。實(shí)際施工時(shí)通過調(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2.5 m。加固注漿孔預(yù)定每孔注漿量為300～500 kg。

3.1.4 礦壓監(jiān)測

試驗(yàn)選取處于垮落區(qū)中部的85#綜采支架進(jìn)行礦壓監(jiān)測，壓力監(jiān)測分兩部分進(jìn)行，結(jié)果如圖5所示。

(1)選取從2015年9月8日到2015年9月14日之間的支架壓力數(shù)據(jù)，期間包括工作面正常推進(jìn)、推進(jìn)時(shí)支架壓力發(fā)生異常、支架完全壓死，涵蓋冒頂片幫整個(gè)礦壓過程。

(2)選取從2015年10月15日到2015年10月21日之間的支架壓力數(shù)據(jù)，期間包括工作面在再造頂板下向前移架以及工作面正常推進(jìn)過程。

圖5 冒頂期間及假頂推進(jìn)期間礦壓監(jiān)測曲線

3.2 注漿充填加固技術(shù)在碎頂區(qū)的應(yīng)用

3.2.1 現(xiàn)場情況

代池壩礦3544工作面位于304采區(qū)+320～+458 m區(qū)段東5#煤層中，工作面走向長度820 m，傾向長度平均166 m，采區(qū)內(nèi)煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，傾角38°～43°，采面區(qū)域?yàn)閱涡睅r層，地質(zhì)構(gòu)造較簡單。由于受地質(zhì)構(gòu)造及相鄰采區(qū)擾動(dòng)的影響，工作面(61#～73#架)頂板破碎，給回采工作帶來了一定的困難。

3.2.2 注漿方案設(shè)計(jì)

對工作面頂板進(jìn)行加固。加固注漿孔分深孔、淺孔兩部分組成，深淺孔交替注漿方案設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 深淺孔交替注漿方案設(shè)計(jì)

(1)深部注漿孔開孔位于頂板下方200 mm布置，孔深7 m，傾角45°，下注漿管6 m，按每隔3臺支架布置1個(gè)注漿孔。

(2)淺部注漿孔開孔位于頂板下方200 mm處布置，孔深4～5 m，傾角45°，下注漿管3 m，按每隔3臺支架布置1個(gè)注漿孔。

該加固注漿孔呈交錯(cuò)布置，即深部注漿孔位于淺部注漿孔中間布置，利于達(dá)到漿液之間互補(bǔ)作用[13-18]。

3.2.3 注漿參數(shù)選擇

根據(jù)圍巖條件與類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定注漿終壓為4 MPa；實(shí)際施工時(shí)通過調(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1.5 m；加固注漿孔預(yù)定每孔注漿量為150～200 kg。

3.3 注漿充填加固技術(shù)在滑底區(qū)的應(yīng)用

3.3.1 現(xiàn)場情況

唐家河煤礦1111綜采工作面底板較軟，開采過程中底板中部41#～65#支架出現(xiàn)不同程度下滑，下滑量最大到2.5 m，針對底板下滑每刀煤炭要進(jìn)行墊架拉架，嚴(yán)重影響正常工序，所以對工作面底板進(jìn)行注漿加固試驗(yàn)。

3.3.2 注漿方案設(shè)計(jì)

根據(jù)1111工作面實(shí)際情況，軟底注漿孔布置如圖7所示。注漿孔從滑底線上側(cè)開始垂直底板打鉆，間距750 mm，長度必須大于最大滑底量2.5 m，且以3.5 m長為宜。注漿孔從支架與刮板運(yùn)輸機(jī)之間空隙處打鉆。

圖7 軟底注漿方案設(shè)計(jì)

3.3.3 注漿參數(shù)選擇

在注漿施工時(shí)，注漿材料采用ACZ-1型水泥添加劑，水泥采用42.5#普通硅酸鹽水泥，添加劑用量為水泥重量的4%～6%。漿液水灰比為0.7～1。參考相似礦井相似工作面參數(shù)，為使?jié){液充滿圍巖裂隙充分達(dá)到飽和狀態(tài)，最佳的注漿壓力為3.0 MPa。單孔注漿時(shí)間取為3～5 min[19-20]。

4 結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬分析可知，注漿對冒落頂板應(yīng)力值起到了應(yīng)力集中作用，但是效果不甚明顯；注漿對破碎頂板的應(yīng)力控制有明顯效果，且能很好地控制頂板下沉量及下沉范圍；注漿能有效抑制軟底開采底板底鼓，能大大減小底鼓范圍，并且對頂板應(yīng)力值有一定的影響。

(2)對唐家河1813工作面冒落頂板區(qū)制定人造假頂、注漿充填方案，設(shè)計(jì)注漿參數(shù)，進(jìn)行礦壓監(jiān)測分析，成功度過頂板冒落區(qū)，保證礦井高產(chǎn)高效。

(3)對代池壩3544工作面破碎頂板，制定深淺孔交替注漿充填加固方案，設(shè)計(jì)注漿參數(shù)，成功治理破碎頂板，保證作業(yè)人員安全。

(4)對唐家河1111工作面滑底，制定底板注漿加固方案，設(shè)計(jì)注漿參數(shù)，成功抑制底板下滑，保證礦井經(jīng)濟(jì)效益。