采煤工作面過地質(zhì)構(gòu)造超前加固技術(shù)研究

路李兵

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 正益煤業(yè)，山西 介休 032000)

煤巖開采過程中斷層是較為常見的地質(zhì)構(gòu)造類型，由于斷層存在會(huì)導(dǎo)致煤層、頂?shù)装鍘r體連續(xù)性以及穩(wěn)定性等破壞，同時(shí)斷層也是較好的導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造[1-2]。采掘作業(yè)面在推進(jìn)至斷層影響區(qū)時(shí)常面臨圍巖失穩(wěn)(具體表現(xiàn)為冒頂、片幫)問題，同時(shí)液壓支架容易出現(xiàn)接頂不密實(shí)、傾覆或者壓架等事故，因此，在工作面回采至斷層影響區(qū)時(shí)應(yīng)針對(duì)性采取治理措施[3-5]?，F(xiàn)階段對(duì)于落差較小斷層，一般采用平推硬過法，從而減少斷層給煤炭回采、生產(chǎn)效率影響[6-8]。文中就以山西某礦30703綜采工作面過斷層為工程實(shí)例，提出在通過利用回采巷道向斷層影響區(qū)內(nèi)超前注漿加固，提高斷層影響范圍內(nèi)煤巖體穩(wěn)定性，從而為采面安全回采創(chuàng)造良好條件。

1 工程概況

30703綜采工作面設(shè)計(jì)開采距離1 580 m、切眼長(zhǎng)280 m，開采7號(hào)煤層，煤層厚度4.6 m，傾角5～10°，埋深470 m。7號(hào)煤層頂板巖性以泥巖、砂巖為主，具體見表1。

表1 7號(hào)煤頂?shù)装鍘r性

依據(jù)30703綜采工作面巷道掘進(jìn)、鉆探及物探資料，在30703綜采工作面開采范圍內(nèi)分布有多條地質(zhì)斷層，落差在0.5～2.8 m，具體探測(cè)出來(lái)的斷層參數(shù)見表2。在開采范圍內(nèi)，F(xiàn)11及F13斷層對(duì)生產(chǎn)影響較大，且兩個(gè)斷層均靠近運(yùn)輸巷發(fā)育。為降低斷層對(duì)采面推進(jìn)影響，提出在運(yùn)輸巷內(nèi)向斷層發(fā)育區(qū)注漿，提高斷層影響范圍內(nèi)破碎煤巖體強(qiáng)度及穩(wěn)定性，以便為采面安全快速過斷層影響區(qū)創(chuàng)造良好條件。

表2 斷層參數(shù)

2 斷層影響區(qū)超前加固技術(shù)

2.1 注漿材料確定

在30703綜采工作面運(yùn)輸巷內(nèi)向F11及F13斷層影響區(qū)內(nèi)，布置鉆孔對(duì)破碎、不穩(wěn)定煤巖體進(jìn)行加固。超前注漿使用的注漿材料會(huì)直接影響超前加固效果，同時(shí)也會(huì)影響超前注漿加固經(jīng)濟(jì)性。在選擇注漿材料時(shí)應(yīng)滿足下述要求：①采用的注漿材料應(yīng)具備較好的流動(dòng)性且膠結(jié)時(shí)間可調(diào)整，從而滿足長(zhǎng)距離泵送以及注漿需要；②注漿漿液應(yīng)與破碎煤巖體膠結(jié)性良好，且漿液在裂隙或者空洞內(nèi)膠結(jié)后應(yīng)顯著提升破碎煤巖體穩(wěn)定性及承載能力，確保巖體不會(huì)出現(xiàn)掉落；③注漿材料應(yīng)具備較好的經(jīng)濟(jì)性，阻燃且膠結(jié)過程中熱量釋放量小。根據(jù)上述要求，在30703綜采工作面運(yùn)輸巷超前注漿時(shí)選擇集團(tuán)公司自主研發(fā)的無(wú)機(jī)復(fù)合材料，具體選用的注漿加固材料具有下述特征：

1) 材料固結(jié)后強(qiáng)度高。選取礦井30701綜采工作面過DF105斷層影響區(qū)域內(nèi)破碎煤巖體以及頂板矸石，將材料置于容器內(nèi)，孔隙率控制在4%，具體破碎煤炭體膠結(jié)情況見圖1(a)；將膠結(jié)后的采用注漿漿液充填破碎煤炭體送太原理工大學(xué)進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖1(b)。從圖1中看出，從宏觀上看，經(jīng)過注漿材料膠結(jié)后破碎煤巖體穩(wěn)定性較強(qiáng)；試驗(yàn)獲取到膠結(jié)后的破碎煤體抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定在21～24 MPa。

圖1 單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果

2) 注漿采用的無(wú)機(jī)復(fù)合材料殘余強(qiáng)度較高。采用的無(wú)機(jī)復(fù)合材料添加有纖維，較水泥基材料可明顯提高殘余強(qiáng)度。通過對(duì)破碎煤炭體注漿加固后，可保持破碎煤巖體不散落，避免出現(xiàn)冒頂或者片幫等事故。

3) 注漿材料具有流動(dòng)性好、粒度小優(yōu)點(diǎn)，在井下進(jìn)行注漿試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方法：在注漿點(diǎn)布置注漿鉆孔，并與注漿鉆孔間隔5 m、7.5 m、10 m及12.5 m分別布置檢驗(yàn)孔，若檢驗(yàn)孔內(nèi)有漿液外溢，則表明注漿漿液擴(kuò)散至檢驗(yàn)孔位置，從而初步得到注漿漿液有效擴(kuò)散半徑?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)注漿漿液有效擴(kuò)散半徑可達(dá)到10 m以上，可滿足井下注漿需要。

4) 注漿材料具有較好的可注性。注漿材料初凝以及終凝時(shí)間分別為5.5 h、8.0 h，且膠結(jié)時(shí)間可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行調(diào)整，可滿足斷層破碎帶內(nèi)長(zhǎng)距離、大流量注漿加固需求。

5) 注漿材料膠結(jié)后結(jié)石率達(dá)到100%、析水率0，漿液穩(wěn)定；注漿漿液水灰比控制在0.3～0.4，注漿過程中以及注漿后不會(huì)出現(xiàn)破碎煤巖體遇水軟化問題。

2.2 注漿鉆孔布置

F11及F13斷層影響區(qū)靠近30703綜采工作面運(yùn)輸巷，從而為超前加固技術(shù)實(shí)施創(chuàng)造良好條件。根據(jù)采面生產(chǎn)以及斷層賦存情況，提出在采面運(yùn)輸巷內(nèi)布置鉆孔，向斷層影響區(qū)內(nèi)進(jìn)行加固，具體鉆孔布置見圖2。

圖2 超前注漿鉆孔平面布置示意(m)

在運(yùn)輸巷內(nèi)布置的加固鉆孔均為垂直煤壁施工，鉆孔布置2排且呈現(xiàn)三花眼狀，鉆孔間距均為3.0 m。第一排、第二排鉆孔與巷道底板間距分別為1 m、2.5 m。在F11斷層影響區(qū)內(nèi)孔深控制在25～35 m、在F13斷層影響區(qū)內(nèi)鉆孔控制在35～50 m，鉆孔終孔位置應(yīng)穿越斷層破碎帶達(dá)到另一盤穩(wěn)定巖層內(nèi)。鉆孔注漿選中ZBQS-10/10注漿泵，配套有混合槍、高壓膠管。

在對(duì)斷層影響區(qū)內(nèi)注漿時(shí)，注漿壓力會(huì)影響注漿量以及漿液擴(kuò)散影響范圍。根據(jù)以往注漿經(jīng)驗(yàn)，將注漿壓力設(shè)定為2倍靜水壓力時(shí)注漿效果較好，同時(shí)考慮到斷層影響區(qū)內(nèi)煤巖體破碎，可適當(dāng)降低注漿壓力。為此，注漿鉆孔注漿壓力設(shè)計(jì)為3～5 MPa。單孔注漿量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，初步確定單孔注漿量保持為150～260 m3。

2.3 注封孔

在鉆孔時(shí)，若采用止?jié){塞封孔，由于注漿壓力較大導(dǎo)致漿液出現(xiàn)一定外溢情況。為此，提出采用兩堵一注方式進(jìn)行封孔，具體結(jié)構(gòu)見圖3。單孔封孔長(zhǎng)度均為3.0 m，封孔裝置包括有孔口管以及麻繩等，通過孔口管向兩麻繩間注入馬麗散，麻繩起到減少馬麗散外溢效果，當(dāng)馬麗散從孔口外溢且穩(wěn)定后，表明已完成孔口封堵。

圖3 孔口封孔結(jié)構(gòu)示意(mm)

2.4 超前加固效果分析

在30703綜采工作面運(yùn)輸巷內(nèi)共計(jì)安排50個(gè)鉆孔加固F11和F13斷層影響區(qū)，整個(gè)注漿加固過程耗時(shí)21 d，加固主要集中在采面檢修班，因此超前注漿不會(huì)給煤炭回采帶來(lái)制約。

F11和F13斷層影響區(qū)注漿加固完成2個(gè)月后，采面推進(jìn)至斷層影響區(qū)，期間斷層影響區(qū)內(nèi)破碎煤巖體等被注漿漿液充填，圍巖穩(wěn)定性較好，采面推進(jìn)期間仍保持正常推進(jìn)速度。具體采面液壓架間頂板情況見圖4，從圖中看出，注漿漿液在破碎煤巖體裂隙中擴(kuò)散、膠結(jié)，可有效提高煤巖體整體承載能力及整體性。

圖4 注漿加固后采面架間頂板現(xiàn)場(chǎng)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

30703綜采工作面內(nèi)發(fā)育多條斷層，斷層影響區(qū)內(nèi)煤巖體裂隙發(fā)育且破碎，采面回采期間容易出現(xiàn)冒頂、片幫等安全風(fēng)險(xiǎn)。若在采面內(nèi)采用注漿方式對(duì)頂板及煤體進(jìn)行加固，則會(huì)占用生產(chǎn)時(shí)間，影響推進(jìn)效率。F11和F13斷層對(duì)采面生產(chǎn)影響較為明顯且分布靠近運(yùn)輸巷，為此提出在運(yùn)輸巷內(nèi)布置鉆孔，向斷層影響區(qū)進(jìn)行注漿加固，以便提高斷層影響范圍內(nèi)煤巖體穩(wěn)定性并為采面安全推進(jìn)創(chuàng)造良好條件。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)注漿鉆孔布置以及注漿工藝等進(jìn)行分析，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，30703綜采工作面得以安全、快速推進(jìn)過F11和F13斷層影響區(qū)，期間圍巖始終保持穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好。