煤炭工業(yè)中新型注漿工藝的經(jīng)濟(jì)性分析

李旭亮， 梁福兵， 秦 濤， 楊雅卓

（山西長(zhǎng)治聯(lián)盛首陽(yáng)山煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046099）

0 引言

首陽(yáng)山煤業(yè)3 號(hào)煤層賦存區(qū)域全部遭到了開(kāi)采破壞，復(fù)采時(shí)重新掘進(jìn)巷道要通過(guò)以往的老空區(qū)，雖然在順槽進(jìn)行了鋼棚支護(hù)，可是頂板管理難度非常大，煤巖體的整體穩(wěn)定性和承載能力很差[1]，極易發(fā)生設(shè)備下沉、工作面冒頂?shù)仁鹿?，?yán)重影響工作面的生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率，因此必須及時(shí)有效地維護(hù)好頂板，才能安全通過(guò)老巷，確保生產(chǎn)安全[2-5]。依托于現(xiàn)代工業(yè)的高度科技化進(jìn)步，本文對(duì)首陽(yáng)山煤業(yè)3106綜采工作面空巷開(kāi)展注漿充填加固應(yīng)用，并分析了其帶來(lái)的良好效益。通過(guò)現(xiàn)代化工藝的應(yīng)用，確保了工作面的生產(chǎn)安全，生產(chǎn)效率得到保障，也為煤炭工業(yè)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展提供助力。

1 工程概況

本次施工所在的3 號(hào)煤層位于山西組下部，上距K8 砂巖底45 m 左右，下距K7 細(xì)砂巖8 m 左右。煤層厚5.05～5.15 m，平均5.11 m，為厚煤層。含1 層炭質(zhì)泥巖夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度大，井田北部和東部大面積剝蝕，僅賦存于井田西部。煤層賦存條件穩(wěn)定可采，3 號(hào)煤層的直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，其上方的基本頂和底板均為泥巖，都具有良好的隔水性能。

3106 工作面位于井田西側(cè)邊界，如圖1 所示，整體地勢(shì)呈現(xiàn)北高南低的趨勢(shì)。3106 工作面主要被1996、1998 小煤窯破壞區(qū)影響，采空區(qū)不僅大面積存在且分布無(wú)規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，3106 回風(fēng)順槽整體煤壁和頂板都遭到不同程度的破壞，目前巷道內(nèi)采用工字鋼進(jìn)行支護(hù)。

圖1 3106 工作面底板等高線示意圖

2 注漿加固方案

根據(jù)3106 工作面內(nèi)實(shí)際情況，且煤壁遭到一定程度的破壞，因此設(shè)計(jì)采用分段注漿的方法進(jìn)行施工。在施工時(shí)，先進(jìn)行淺孔施工，先用低壓對(duì)淺孔進(jìn)行注漿，具有膠結(jié)性的漿體可以封堵淺部破碎圍巖的裂隙，如此在保證圍巖完整的基礎(chǔ)上，可以避免之后注漿時(shí)有漿液滲漏。完成煤壁加護(hù)后，再進(jìn)行深孔施工，高壓對(duì)深孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿加固，使內(nèi)部破碎巖體的承載能力得到提升。

在施工時(shí)，鉆孔應(yīng)向頂板方向仰起，利用重力使?jié){液得到充分?jǐn)U散，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)密閉、掘進(jìn)迎頭正前方老巷完全充填滿(mǎn)，冒落矸石實(shí)現(xiàn)膠結(jié)，巷道掘進(jìn)至老巷位置時(shí)，矸石及膠結(jié)料可形成一個(gè)整體作為人工假頂。

3 注漿加固治理

3.1 注漿孔布置

由于3106 運(yùn)輸順槽內(nèi)皮帶的影響，鉆機(jī)在3106運(yùn)輸順槽內(nèi)無(wú)法進(jìn)行大幅度活動(dòng)，所以主鉆孔工作場(chǎng)地設(shè)于3106 回風(fēng)順槽內(nèi)，輔助工作在3106 運(yùn)輸順槽開(kāi)展。每個(gè)鉆場(chǎng)間隔20 m 分布于3106 回風(fēng)順槽內(nèi)，鉆孔深淺交替排列。淺孔加固煤壁，深孔以5°～10°的仰角鉆進(jìn)至破碎區(qū)。淺孔每排1 個(gè)，孔深6 m，20 m一排；深孔每排兩個(gè)，孔深以實(shí)際施工為準(zhǔn)，20 m 一排。鉆孔布置如圖2 所示。

圖2 鉆孔布置斷面圖

3.2 注漿孔設(shè)計(jì)

1）鉆孔直徑：充填管的內(nèi)徑為2.5 英寸（63.5 mm）或2.0 英寸（50.8 mm），選用50 mm 的鉆桿，開(kāi)孔直徑110 mm，終孔直徑75 mm。

2）鉆孔終孔高度和深度：煤層厚度4.5 m，巷道掘進(jìn)高度2.6 m，上方1.9 m 頂煤（綜采工作面采高2.4 m、頂煤高度2.1 m），直接頂為3.43 m 砂質(zhì)泥巖。為實(shí)現(xiàn)膠結(jié)后頂板穩(wěn)定性及減少充填成本兩個(gè)目的，終孔位置距離巷道頂板3 m 左右較為合適。終孔深度應(yīng)以實(shí)際到達(dá)破碎區(qū)的深度為準(zhǔn)，且終孔位置需要滿(mǎn)足高度要求。

3）封孔方式：采用囊袋“兩堵一注”封孔（封孔長(zhǎng)度2 m）或者注水封孔器封孔。

3.3 注漿材料

本次施工設(shè)計(jì)采用粉煤灰加固化劑作為注漿材料，主要原材料成分見(jiàn)表1，粉煤灰固化充填材料的特點(diǎn)主要有：由于粉煤灰為主要成分，不但可以做到廢物利用，還能大大降低充填成本；粉煤灰與固化劑混合漿體流動(dòng)性能好，可以均勻充填各類(lèi)地下空洞和空隙，快速且具有一定強(qiáng)度，而且沉縮率小，操作工藝簡(jiǎn)單、安全。粉煤灰固化充填材料在粉煤灰水化和固化過(guò)程中不產(chǎn)生有害氣體，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，成本較低。粉煤灰固化充填材料不僅單漿可以長(zhǎng)距離輸送，雙漿混合后速凝且時(shí)間可調(diào)，而且其高強(qiáng)性能和微膨脹性令其固結(jié)后能夠及時(shí)承擔(dān)承載作用，是一種經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的材料。

表1 粉煤灰固化劑的主要原材料成分

無(wú)機(jī)粉煤灰固化劑為無(wú)機(jī)材料、呈粉末狀。單位質(zhì)量的粉煤灰固化劑能夠固結(jié)5～25 倍粉煤灰，粉煤灰漿液與固化劑漿液混合后，初凝需要5～90 min，終凝需要120～240 min，凝結(jié)體不僅不吸水，而且受熱失水速度很慢。用在礦井空巷充填、采空區(qū)充填等領(lǐng)域時(shí)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

由于可以超前進(jìn)行兩順槽回采幫打孔老巷充填，而回采推進(jìn)到充填區(qū)域所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，漿液凝固速度會(huì)稍慢一些，因此漿液配比為：固化比1∶15，粉煤灰漿液水灰質(zhì)量比0.8∶1，即使用1 t 固化劑配15 t粉煤灰、12 t 水制漿。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

在進(jìn)行注漿加固前，巷道掘進(jìn)安全隱患時(shí)所采取的補(bǔ)打錨桿、錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)成本投入較大，實(shí)際投入成本是設(shè)計(jì)時(shí)成本的1.5 倍左右。進(jìn)行注漿加固之后，整體成型質(zhì)量有所提高以外，冒頂現(xiàn)象也大大減少，每年可節(jié)約人工和材料投入成本約300 萬(wàn)元。除此之外，由于有效的加固支護(hù)，巷道掘進(jìn)效率的提升帶來(lái)的是煤炭產(chǎn)量的有效釋放，較注漿加固之后增產(chǎn)240 萬(wàn)t，有效解決了礦井工作面連續(xù)開(kāi)采的問(wèn)題。隨著該工藝進(jìn)一步的深入研究和發(fā)展，將不斷促進(jìn)煤礦的綠色高效開(kāi)采，具有十分良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 工業(yè)安全效益

為了觀測(cè)注漿加固施工完成之后的空巷圍巖控制效果，通過(guò)在巷道安置監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)圍巖位移情況。通過(guò)觀測(cè)可知，初期時(shí)巷道圍巖位移量呈快速增加的趨勢(shì)，當(dāng)時(shí)間到達(dá)一定峰值后開(kāi)始走向平穩(wěn)，此后巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖畲笠苿?dòng)量均在安全允許范圍之內(nèi)。此外經(jīng)過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)注漿后的頂板具有良好的完整性，冒頂狀況顯著改善，說(shuō)明此次施工效果良好。不僅增加了巷道圍巖的整體的穩(wěn)定和安全，而且每天正常采煤情況下（檢修、檢查、停工或其他不可抗力等情形除外）工作面推進(jìn)速度提高到了3 m/d，效率明顯提高，表明注漿加固工藝的應(yīng)用有效增強(qiáng)了煤巖體的整體性和穩(wěn)定性，保證了煤炭開(kāi)采的安全生產(chǎn)。

4.3 綜合管理效益

注漿加固后，帶來(lái)的不僅是掘進(jìn)效率的提升，還有大量人力、資金、時(shí)間成本的節(jié)約，如此便有利于企業(yè)有更多的資源投入到運(yùn)營(yíng)管理中，以便制定科學(xué)合理的產(chǎn)、運(yùn)、銷(xiāo)一體化經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略。在煤炭工業(yè)生產(chǎn)中，投入資金便可更新智能化設(shè)備，通過(guò)現(xiàn)代化、精細(xì)化的管理模式，強(qiáng)化運(yùn)營(yíng)管控，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，不斷提質(zhì)增效，進(jìn)而能夠提高煤炭企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，不斷釋放新時(shí)代煤炭工業(yè)經(jīng)濟(jì)企業(yè)的活力、動(dòng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)地應(yīng)用觀測(cè)表明，對(duì)3016 工作面開(kāi)展注漿加固施工以后，工作面冒頂?shù)陌l(fā)生概率大幅降低，使巷道的整體性、穩(wěn)定性得到改善。這項(xiàng)工藝不但保證了掘進(jìn)工作的高效開(kāi)展，為工作面過(guò)老巷時(shí)創(chuàng)造了安全的條件，還取得了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等多方面的良好效益。在新時(shí)代煤炭工業(yè)經(jīng)濟(jì)激烈競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，為煤炭企業(yè)提供了增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的有力法寶，持續(xù)助力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，為煤炭工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展添磚加瓦。