下分層綜采工作面注漿加固頂板技術(shù)研究與應(yīng)用

龐柳陽 郭鐵成 程相克

（中國平煤神馬能源化工集團平煤股份十礦，河南 平頂山 467000）

1 概況

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦己16-24060工作面位于-320 m 水平己四采區(qū)西翼第二區(qū)段，南為已回采結(jié)束的己15-24020 采空區(qū)、己16-24020 采空區(qū)，北為已回采結(jié)束的己15-24080 采空區(qū)，上覆已回采結(jié)束的己15-24060 采空區(qū)。工作面有效走向長1961 m，傾斜寬135.9～154.7 m，平均144.4 m。煤層厚度在0.8～2.0 m 之間，平均厚1.5 m。煤層傾角14.6～30.7°，平均22°左右，外段較陡，向里較緩。工作面標高-413～ -564 m，工作面埋深570～760 m。工作面頂板為0.1～17.8 m 厚的砂質(zhì)泥巖夾薄層細砂巖，其上為己15-24060 采空區(qū)假頂，再上為5.0～8.0 m厚的砂質(zhì)泥巖夾薄層細砂巖含己14 煤層。

由于該工作面為下分層工作面，上分層頂板鉸接狀況不好，同時機巷應(yīng)力集中，巷道變形嚴重，加之采動影響，回采期間機頭三角煤頂板破碎程度高，采煤機行至機頭時容易流渣。為加強施工期間三角煤頂板安全管理，自該工作面推進約1230 m開始在工作面機頭做沿走向長度5 m 長、1.2 m 寬、1.8 m 高的超前支護。推進至1550 m 左右，機頭推至上分層工作面斷層密集區(qū)（H＞2 m 斷層4 條），工作面40 架到機頭煤層傾角達到30°，機頭三角煤煤壁松軟易片幫，頂板破碎嚴重易掉頂，嚴重制約本工作面的安全高效回采。通過在機頭超前段注射固安特頂板加固材料，有效地改善了機頭三角煤煤體的堅固性和頂板的整體性，直接減少了過機頭停車維護頂板的工作量和影響時間，為快速通過頂板破碎區(qū)提供了根本保障。

2 固安特材料特征

固安特是一種雙液型高分子注漿產(chǎn)品，反應(yīng)前材料常溫下為液態(tài)，具有良好的滲透性，在外力作用下可滲透到微小的裂隙中的。該材料已廣泛應(yīng)用于井下破碎煤體加固、巖體加固。該產(chǎn)品反應(yīng)時間短，粘結(jié)性能強，固化物機械性能高，良好的柔韌性可以承受地層壓力的長期作用，并且具有強抗?jié)B性能、抗磨、抗沖擊性能和抗老化性能。注入煤巖體的高壓混合固化物不僅可以打開煤巖體中的裂縫，而且能夠通過膨脹粘合將松軟煤體與破碎頂板粘結(jié)起來，以承受工作面機械設(shè)備的采動影響。聚合產(chǎn)品的膨脹系數(shù)不小于1，反應(yīng)后體積能夠達到原來的2 倍以上，穩(wěn)定后聚合產(chǎn)品粘結(jié)強度不低于 3 MPa，標準砂固結(jié)合體抗壓強度不低于30 MPa。固安特反應(yīng)材料技術(shù)參數(shù)如表1 所示，固安特聚合物技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表1 固安特反應(yīng)材料技術(shù)參數(shù)表

表2 固安特聚合物技術(shù)參數(shù)表

3 注漿工藝及技術(shù)要求

3.1 施工前工具及材料準備

液壓鉆機1 臺，Ф42 mm 鉆桿4 根，Ф42 mm鉆頭若干，氣動注漿泵1 臺，注射槍1 個，Ф19 mm風管1 根，Ф13 mm 供料高壓管2 根，Ф10 mm 供液高壓管2 根（長度滿足需求即可），快速連接注漿管若干，配套封孔器1個，快速插頭1個，機油及樹脂、催化劑、兩種注漿材料適量（根據(jù)破碎的裂隙實際情況來決定材料的用量）。

3.2 施工注漿鉆孔

由于工作面機巷壓力大，機頭三角煤頂板破碎，且機頭段煤層傾角達到30°，結(jié)合現(xiàn)場情況及重點固化目標為機頭三角煤頂板，決定在機巷超前范圍內(nèi)向上施工孔深4 m 的注漿鉆孔。鉆孔布置圖如圖1 所示。

圖1 超前注漿鉆孔布置圖

為了使固安特聚合體能夠盡可能均勻向超前鉆孔兩側(cè)蔓延，在施工鉆孔時，使鉆孔與煤層剖面相平行。在施工時通過調(diào)整鉆孔傾角a、孔口到超前頂板的距離L、孔口到煤墻的距離X 來研究不同鉆孔方案下的注漿效果。根據(jù)工程質(zhì)量及支護需求，機頭超前破0.2 m 鉸結(jié)頂。為鉆孔施工方便，同時可以滿足注漿效果，經(jīng)試驗從煤體上開孔，通過調(diào)整傾角將鉆孔延伸至鉸結(jié)頂可以滿足要求。因為本工作面機頭段煤層傾角為30°，所以鉆孔傾角a 必須大于30°才能穿透煤層進入頂板。經(jīng)計算得：當a 為45°時，4 m 鉆孔在水平方向和垂直方向的投影均為2.828 m，在煤層傾向方向的投影為3.9 m，在煤層法向投影為1 m。結(jié)合在采用不同的角度時的施工情況發(fā)現(xiàn)，固安特聚合體能夠從工作面2 架頂板處滲出達到期望效果，且在注漿過程中不會在進入鉸結(jié)頂以前過多滲入煤體中去。同理，發(fā)現(xiàn)L為0.6 m 時，不僅鉆孔施工方便，而且聚合體能夠在鉛垂方向擴散較好，鉸結(jié)頂固化位置很準確。此外，工作面為“三八制”勞動組織，兩班生產(chǎn)，圓班按5 刀煤組織，循環(huán)進尺0.6 m，正規(guī)作業(yè)循環(huán)下日循環(huán)進尺3 m，而頂板裂隙較大，結(jié)合本產(chǎn)品擴散半徑，經(jīng)現(xiàn)場試驗表明，當X 為3 m 時，注漿20 桶即可達到期望效果，其固化范圍夠2 日推進。當頂板極其破碎，裂隙非常大時，可縮小X 至2 m，每日注漿1 次，縮小范圍，加強小范圍頂板固化效果（對于塌孔嚴重區(qū)域可直接采用自鉆式注射管實現(xiàn)鉆孔和注漿一體化進行）。

3.3 安設(shè)連接注漿管路

（1）安裝注漿管。依次連接粗細兩種規(guī)格注漿管，通過調(diào)節(jié)封孔器安裝位置調(diào)整封孔深度，一般距外孔口3 m。

（2）按照要求接入注漿泵的供風管路和出料管路。在注射槍接入注漿管路前，應(yīng)首先進行注射試驗，保證注漿管路和泵及其它設(shè)備的可靠性。主要通過觀察兩種材料的出料比例及混合材料是否反應(yīng)判斷各設(shè)備是否正常。設(shè)備安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 設(shè)備安裝示意圖

3.4 注漿過程控制

（1）開始注漿。注漿過程中需保證封孔質(zhì)量，調(diào)整注漿速率。密切觀察注漿區(qū)域煤巖體是否脫落，出現(xiàn)漏料、串漿應(yīng)及時停泵處理。當孔口出漿時，可用破布或者袋子繼續(xù)進行封孔，當其它位置出漿時，應(yīng)及時停泵，減少漏料，避免浪費。

（2）達到預期注漿效果即可停止注漿。一般根據(jù)現(xiàn)場出料情況確定停注時機。并非注料越多越好，達到固化效果即可，注漿過多不僅材料費用高，而且增加生產(chǎn)中的大塊率。

（3）注漿完畢后，清洗設(shè)備和配件。按照注漿設(shè)備要求進行設(shè)備清洗，首先用水清洗泵體抽料缸體，再用機油清洗催化劑抽料缸。

4 效果

（1）通過在己16-24060 綜采工作面機巷超前段施工注漿鉆孔對機頭三角煤破碎頂板進行注漿加固，有效地控制了三角煤壁的片幫以及破碎頂板的冒落，創(chuàng)造了安全的生產(chǎn)條件。

（2）直接減少了惡劣地質(zhì)條件下采煤機過機頭的維護工作量和影響時間，節(jié)省了人力物力，為單班5 刀煤正規(guī)作業(yè)循環(huán)提供了保障。

（3）在工作面頂板周期來壓時，注漿后的煤壁未發(fā)生明顯片幫，支架端面距符合要求。

（4）滲入破碎頂板的聚合體改善了三角煤頂板的完整性，保證了傾斜煤層工作面支架的支護質(zhì)量，有效地避免了工作面液壓支架因不接頂而發(fā)生歪架、咬架等問題。