注漿充填在小煤窯采空區(qū)冒矸處理中的應(yīng)用

劉 超

(汾西礦業(yè)集團(tuán) 正幫煤業(yè)，山西 孝義 032300)

當(dāng)?shù)V井回采煤層地質(zhì)條件復(fù)雜或者上覆有小煤窯采空區(qū)時(shí)，采掘作業(yè)面頂板破碎、冒頂、底板下滑等是制約煤炭安全開(kāi)采的不利因素?，F(xiàn)階段破碎、垮落頂板常用的處理技術(shù)包括木垛法、注漿法、架棚法、錨固法以及硬過(guò)法等，其中注漿法具有處理效果好、效率高、安全性高等優(yōu)勢(shì)，在煤礦井下應(yīng)用較為廣泛。山西某礦12206工作面在回采時(shí)揭露小煤窯采空區(qū)，預(yù)計(jì)采面在小煤窯采空區(qū)內(nèi)推進(jìn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)頂板矸石垮落問(wèn)題，給采面回采安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。為此，礦井提出使用注漿充填方式對(duì)采空區(qū)內(nèi)垮落矸石進(jìn)行處理。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

12206工作面回采的2號(hào)煤層平均厚度4.5 m，在煤層下部夾雜有1～3層厚度0.1～0.28 m的粉砂巖矸石，煤層傾角平均13°。2號(hào)煤層上覆有厚度小于0.5 m的炭質(zhì)泥巖，直接頂為灰黑色砂質(zhì)泥巖、厚度4.5 m，基本頂為粉砂巖、厚度7.9 m；直接底為炭質(zhì)泥巖，厚度2.9 m。根據(jù)臨近工作面回采情況以及回采巷道揭露地質(zhì)資料顯示，采面開(kāi)采范圍內(nèi)水文地質(zhì)簡(jiǎn)單，僅在斷層或者頂板裂隙發(fā)育位置有少量淋水，淋水量一般在1.5 m3/h以內(nèi)。

1.2 生產(chǎn)概況

巷道掘進(jìn)以及物探探測(cè)成果大致判定的小煤窯采空區(qū)分布位置如圖1所示。小煤窯回采工作面回采高度在2.0 m、寬度在10 m，物探初步圈定的小煤窯采空區(qū)面積約為4 800 m2。在小煤窯回采區(qū)內(nèi)留有2.5 m厚的底煤以及大量護(hù)巷煤柱，煤炭綜合采收率僅為30%.若不對(duì)小煤窯采空區(qū)進(jìn)行復(fù)采，會(huì)造成大量煤炭資源的浪費(fèi)；若復(fù)采則存在頂板垮落嚴(yán)重的問(wèn)題，對(duì)采面回采造成安全威脅。

圖1 小煤窯采空區(qū)分布位置示意

2 綜合治理技術(shù)方案

在12206工作面回采范圍內(nèi)存在小煤窯采空區(qū)，采用物探確定的采空區(qū)范圍精度較低，同時(shí)采空區(qū)面積較大，頂板垮落區(qū)域相互溝通，提高采空區(qū)垮落巖石穩(wěn)定性不僅有利于采面回采，而且便于頂板管理。注漿是提高破碎巖體穩(wěn)定性常用技術(shù)方法，為此，采用注漿技術(shù)方法對(duì)垮落區(qū)破碎巖體進(jìn)行加固，以解決采面回采期間頂板垮落問(wèn)題。

2.1 注漿材料確定

煤礦井下常用的注漿材料有化學(xué)類(有機(jī)類)、水泥類(無(wú)機(jī)類)兩種?；瘜W(xué)類漿液有便于注漿、漿液滲透性好等優(yōu)點(diǎn)，但存在普遍有毒、成本高以及污染環(huán)境等缺點(diǎn)，注漿膠結(jié)后巖體強(qiáng)度也較低。水泥類可具體細(xì)分為水泥單液漿、高水速凝材料以及水泥-水玻璃雙液漿。水泥單液漿在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)存在可注性差，結(jié)石率低，沁水、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)以及注漿控制難度高等問(wèn)題；水泥-水玻璃雙液漿雖然結(jié)石率較高，但是固結(jié)后的巖體在水影響下強(qiáng)度會(huì)明顯降低，雖然小煤窯采空區(qū)淋水量較低，但是也會(huì)對(duì)加固效果產(chǎn)生顯著影響；高水速凝材料具有膠結(jié)時(shí)間易調(diào)節(jié)、可注性好、水灰比高、膠結(jié)不沁水以及100%結(jié)石等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)材料具有一定的“親水”特性，即膠結(jié)后巖體在水作用下強(qiáng)度會(huì)有所增強(qiáng)。通過(guò)綜合比對(duì)，決定在12206工作面過(guò)小煤窯采空區(qū)中采用高水速凝材料對(duì)破碎矸石進(jìn)行加固。在注漿加固時(shí)，將材料水灰比確定為2.5∶1，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而滿足漿液流動(dòng)、凝結(jié)等的需要。

2.2 注漿參數(shù)

2.2.1 注漿時(shí)間

注漿時(shí)間與注漿巖體內(nèi)裂隙發(fā)育情況、注漿量以及漿液在裂隙中的擴(kuò)展速度等有關(guān)。由于注漿區(qū)域位于采空區(qū)，因此注漿時(shí)間不能以傳統(tǒng)的“注漿漿液充滿圍巖裂隙”為判定依據(jù)，而是應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況將“采空區(qū)破碎巖體是否有效膠結(jié)”作為判定指標(biāo)。在注漿時(shí)注漿時(shí)間依據(jù)注漿壓力、注漿量等參數(shù)綜合確定。

2.2.2 注漿壓力

注漿加固區(qū)域內(nèi)采空區(qū)，采空區(qū)破碎巖體性質(zhì)決定注漿壓力不應(yīng)過(guò)大。采空區(qū)內(nèi)垮落矸石間空隙較大，漿液充填阻力相對(duì)較小，注漿時(shí)注漿阻力主要由注漿管路引起。根據(jù)以往注漿經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)研究成果，將注漿壓力確定為0.5 MPa。

2.2.3 注漿量

由于小煤窯采空區(qū)面積相對(duì)較大，在注漿過(guò)程中確定注漿量較為困難。在具體注漿時(shí)注漿漿液液面以超過(guò)底煤頂板2.0 m為宜。因此，在實(shí)際操作時(shí)應(yīng)依據(jù)鄰近鉆孔跑漿情況以及注漿量來(lái)確定鉆孔單孔注漿量。

2.2.4 注漿漿液擴(kuò)散半徑

注漿漿液擴(kuò)散半徑與注漿孔孔深、位置、注漿漿液、裂隙擴(kuò)展情況以及注漿壓力等相關(guān)。在12206工作面注漿時(shí)由于漿液在采空區(qū)范圍大，注漿半徑對(duì)注漿效果影響有限，同時(shí)注漿漿液在采空區(qū)垮落矸石間流動(dòng)、注漿半徑確定較為困難。依據(jù)12206工作面前方采空區(qū)垮落矸石破碎情況，初步確定漿液擴(kuò)散半徑為3.0 m。

2.2.5 注漿孔布置

注漿孔布置會(huì)直接影響注漿效果。在采面內(nèi)布置注漿孔雖然注漿針對(duì)性更強(qiáng)，但是存在注漿影響采面正?；夭桑@孔施工困難以及漏漿、跑漿嚴(yán)重等問(wèn)題。在回采巷道內(nèi)注漿時(shí)，不僅可實(shí)現(xiàn)超前注漿，而且在煤層傾角影響下漿液下行，更容易膠結(jié)采空區(qū)下部垮落的矸石。因此，決定在采面回風(fēng)巷內(nèi)布置注漿孔對(duì)小煤窯采空區(qū)進(jìn)行注漿加固。在回風(fēng)巷內(nèi)布置的注漿孔有淺孔、深孔兩種，淺孔注漿長(zhǎng)度為5.0 m、間距3.0 m，開(kāi)孔位置距離回風(fēng)巷頂板0.8 m；深孔長(zhǎng)度以鉆孔鉆進(jìn)至采空區(qū)為準(zhǔn)，間距為10.0 m，開(kāi)孔距離回風(fēng)巷頂板1.2 m。具體注漿孔布置如圖2所示。

圖2 注漿孔布置示意

3 注漿加固效果分析

在采面初采時(shí)即開(kāi)始在回風(fēng)巷布置注漿孔對(duì)采面小煤窯采空區(qū)進(jìn)行注漿加固，具體注漿加固時(shí)間為2020年5月至2020年8月。注漿采用型號(hào)2ZBSB8～1.1/6-22注漿泵，注漿壓力為0.5 MPa。注漿結(jié)束后采面與注漿加固點(diǎn)間距仍有200 m，注漿工作不會(huì)影響采面正常生產(chǎn)。根據(jù)小煤窯采空區(qū)面積以及注漿量，確定注漿加固面積約為4 850 m2。加固完成后，從采面回采至加固區(qū)域揭露的采空區(qū)垮落矸石情況可以看出，垮落矸石穩(wěn)定性得以顯著提升。

在采面回采巷內(nèi)通過(guò)注漿加固后，采面過(guò)采空區(qū)垮落區(qū)時(shí)架間漏矸、煤壁片幫問(wèn)題基本消失，頂板垮落問(wèn)題得以有效解決。采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率有效提升，基本不會(huì)出現(xiàn)因垮落矸石占用采煤時(shí)間的情況，為采面順利推進(jìn)創(chuàng)造了良好條件，采煤機(jī)仍能保持3.2 m/d的推進(jìn)速度。超前注漿加固后，采面基本不需要架設(shè)木垛接頂或者架設(shè)單體支柱對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，顯著降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 12206回采工作面內(nèi)有小煤窯采空區(qū)，同時(shí)采空區(qū)垮落矸石下方有厚度2.5 m的煤層。采面在回采過(guò)程中由于煤層上覆為垮落矸石，若不處理直接回采極容易出現(xiàn)架間漏矸、頂板垮落以及煤壁片幫等問(wèn)題。

2) 提出采用注漿方式加固采空區(qū)垮落矸石，并依據(jù)開(kāi)采的2號(hào)煤層賦存情況對(duì)注漿加固材料以及加固參數(shù)進(jìn)行布置，具體為：在12206回風(fēng)巷內(nèi)布置淺、深鉆孔對(duì)垮落區(qū)進(jìn)行加固，注漿漿液選用高水速凝材料，淺孔深度5.0 m、間距3.0 m，深孔深度以鉆進(jìn)至采空區(qū)為準(zhǔn)，間距10.0 m。

3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，小煤窯采空區(qū)下部垮落矸石基本被膠結(jié)，采面過(guò)采空區(qū)期間未出現(xiàn)頂板垮落、煤壁片幫等問(wèn)題，回采速度保持在3.2 m/d，取得了較為顯著的應(yīng)用成果。