注漿加固技術(shù)在破碎頂板治理中的應(yīng)用

朱少杰

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 盛泰煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400)

在工作面回采過程中常常會(huì)遇到斷層、陷落柱等特殊的地質(zhì)構(gòu)造，受這些特殊地質(zhì)構(gòu)造的影響，其周圍煤巖體特性發(fā)生了改變，煤巖體強(qiáng)度下降，加之采動(dòng)或外力的影響使煤巖體發(fā)生了破碎[1-2]。尤其出現(xiàn)在工作面頂板附近時(shí)，破碎的頂板導(dǎo)致整個(gè)采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性下降，承載能力不足，常常發(fā)生頂板冒落，甚至造成冒頂事故，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)[3-4]。本文針對(duì)盛泰煤業(yè)15201綜采工作面頂板破碎的問題，通過采用工作面煤壁預(yù)注漿技術(shù)，使得采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性增加，保證了礦井安全生產(chǎn)。

1 工程概況

盛泰煤業(yè)位于山西省高平市陳區(qū)鎮(zhèn)，隸屬于晉能集團(tuán)晉城有限公司，井田面積14.554 1 km2，主要開采3號(hào)、15號(hào)煤層，現(xiàn)開采15號(hào)煤層，煤層厚度2.8～4.1 m，平均厚度3.5 m，平均傾角3.5°，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬t/a。15201工作面位于二采區(qū)中部，工作面推進(jìn)長(zhǎng)2 620 m，切眼長(zhǎng)200 m，采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。

工作面回采至600 m時(shí)，110號(hào)支架開始向機(jī)尾頂板有1層厚夾矸，為灰黑色泥巖，延伸至126號(hào)架時(shí)為2 m厚，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭露判斷，為落差3 m的逆斷層，機(jī)尾段G4號(hào)架至回風(fēng)巷為上盤，126～110號(hào)架位置為下盤，本段留有底煤，如圖1所示。由于126～G6號(hào)架頂板破碎、漏矸，導(dǎo)致支架錯(cuò)差較大，傾斜嚴(yán)重、出現(xiàn)咬架情況，現(xiàn)場(chǎng)決定采用注漿加固的方法對(duì)工作面破碎段進(jìn)行治理。

圖1 15201 綜采工作面破碎段示意

2 破碎區(qū)域注漿加固機(jī)理

由于破碎區(qū)域存在于工作面煤壁，生產(chǎn)期間垮落的矸石膠結(jié)性差，生產(chǎn)過程中隨采隨冒，嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)作業(yè)。因此需要對(duì)工作面煤壁頂板進(jìn)行預(yù)注漿加固，通過預(yù)注漿液擴(kuò)散到破碎矸石裂隙內(nèi)，達(dá)到一定時(shí)間后，漿液會(huì)將破碎區(qū)域內(nèi)的矸石膠結(jié)在一起，而且注漿材料注入頂板巖層后，滲透進(jìn)細(xì)小的裂縫膨脹，產(chǎn)生二次壓力，將破碎區(qū)域內(nèi)的矸石更好地膠結(jié)為一個(gè)整體，對(duì)工作面破碎頂板起到有效的固結(jié)作用，有利于采煤機(jī)滾筒切割之后及時(shí)的支護(hù)作業(yè)。

3 注漿參數(shù)確定

3.1 注漿材料的選擇

根據(jù)工作面煤壁、頂板破碎煤巖體的賦存特征和采煤工藝要求，選擇化學(xué)注漿加固材料。化學(xué)漿材料是一種高分子聚合物，具有較好的滲透性、較高的粘合力和較強(qiáng)的機(jī)械性能[5]。該材料由A、B兩種組分組成，比例按照1∶1進(jìn)行配比，并通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)材料水灰比進(jìn)行測(cè)試，選擇水灰比1∶1的材料進(jìn)行注漿。

3.2 注漿鉆孔布置

根據(jù)破碎區(qū)的影響范圍，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織，將注漿孔深度確定為5.0 m，角度為斜向頂板15～30°，孔間距3 000 mm，開孔位置位于頂板下方1 000～1 500 mm處。每?jī)杉芤簤褐Ъ懿贾?個(gè)鉆孔，共布置1排鉆孔，如圖2所示，采用打一孔注一孔的方式進(jìn)行注漿，直至將破碎區(qū)域所有孔注完再進(jìn)行生產(chǎn)，按照 “注漿—生產(chǎn)—注漿”的循環(huán)方式進(jìn)行組織。

圖2 注漿孔布置示意(mm)

3.3 鉆孔施工

由于工作面超前應(yīng)力及二次采動(dòng)影響，頂板較為破碎，尤其工作面來壓期間。在打鉆施工過程中易出現(xiàn)卡鉆等現(xiàn)象，為了保證順利注漿，在打鉆過程中采用了分段成孔工藝。

1) 注漿打孔采用直徑為42 mm鉆頭鉆進(jìn)3 m，退鉆，下套管(注漿管2 m，花管1 m)，于1.5～2 m處上封孔器，封孔器直徑為38 mm，套筒外端焊高壓法蘭，套筒示意見圖3。

圖3 套管示意

2) 連接好法蘭進(jìn)行第一次注漿，主要加固孔口破碎區(qū)域內(nèi)矸石，保證注漿壓力，盡可能保證漿液滲入到孔口破壞區(qū)域矸石裂隙間，達(dá)到注漿效果，封孔。

3) 封孔1 h后，打開法蘭，繼續(xù)鉆孔，直至達(dá)到5 m為止。鉆孔過程中遇到卡鉆等問題時(shí)，及時(shí)退鉆，合上法蘭，重新注漿，注漿結(jié)束后，繼續(xù)鉆孔。

4) 鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，連接管路進(jìn)行注漿。

3.4 注漿工藝

注漿采用2ZBQ-6/12氣動(dòng)高壓雙液注漿泵和QB500型氣動(dòng)攪拌桶進(jìn)行注漿。將A、B料運(yùn)至注漿泵進(jìn)料口，距泵體1 m處，并將吸料管插入料桶中底部。A料氣動(dòng)閥門打開，當(dāng)A料在出料管口流出的時(shí)候關(guān)閉氣動(dòng)閥門，開啟B料氣動(dòng)閥門，當(dāng)B料流出的時(shí)候關(guān)閉B料閥門，然后同時(shí)開啟A、B料氣動(dòng)閥門調(diào)試A、B料的流量，比例控制在1∶1，在調(diào)試比例的時(shí)候A、B料流入固定的容器中，當(dāng)比例調(diào)試穩(wěn)定后，關(guān)閉A、B氣動(dòng)閥。按照水灰比1∶1將注漿材料在攪拌桶內(nèi)攪拌均勻，然后將配比好的漿液利用注漿泵注入注漿孔內(nèi)，注漿過程中要保證壓力，使得漿液能充分滲透到破碎矸石裂隙之間。注漿結(jié)束后，待50～60 s觀察漿液凝固效果及加固效果。

4 注漿效果分析

為了驗(yàn)證注漿效果，特對(duì)距工作面煤壁不同距離處，注漿前后頂板下沉量及超前支撐應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比分析。圖4為距工作面煤壁不同距離處注漿前后頂板下沉量變化。由圖4可知，隨距離工作面煤壁距離增加，頂板下沉量也在增加，但是注漿后頂板下沉量明顯降低，距離工作面煤壁12 m處注漿前頂板下沉量為401 mm，注漿后為210 mm，下降了47.6%。注漿后頂板穩(wěn)定性明顯增加。

圖4 距煤壁不同距離處注漿前后頂板下沉量變化

圖5為距煤壁不同距離處注漿前后超前支撐應(yīng)力變化，由圖5可以看出，注漿前后，工作面超前支撐應(yīng)力明顯下降，注漿前超前支撐應(yīng)力最大值為25.3 MPa，注漿后超前支撐應(yīng)力最大值為20.6 MPa。超前支撐壓力降低了18.6%。

圖5 距煤壁不同距離處注漿前后超前支撐壓力變化

5 結(jié) 語

通過對(duì)工作面破碎段采用注漿加固技術(shù)后，圍巖穩(wěn)定性明顯提升，承載能力明顯增加，頂板管控質(zhì)量明顯提高，為礦井安全生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。