石洞溝煤礦31111急傾斜智能化綜采面過構(gòu)造帶加固技術(shù)研究與應(yīng)用

劉華君 楊啟軍 王偉平 馮偉

摘 要： 石洞溝煤礦31111急傾斜智能化綜采工作面在開采前就對(duì)該工作面地質(zhì)條件進(jìn)行了分析和研究。在采掘工作中，發(fā)現(xiàn)31111回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷存在四個(gè)逆斷層。針對(duì)工作面傾角和采高頻繁變化的特點(diǎn)，提出了穿越構(gòu)造帶提前打孔注漿加固技術(shù)的研究與實(shí)驗(yàn)。為急傾斜大采高智能化綜采工作面設(shè)備配套選型提供了技術(shù)支撐和方向定位。

關(guān)鍵詞： 急傾斜工作面 注漿加固 穿越構(gòu)造帶 煤礦智能化

中圖分類號(hào)： TU753文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1679-3567（2024）03-0017-03

Research and Application of Reinforcement Technology for the 31111 Steep Intelligent Fully-Mechanized Mining Face Crossing Structural Belts in the Shidonggou Coal Mine

LIU Huajun YANG Qijun WANG Weiping FENG Wei

Sichuan Coal Shidonggou Coal Industry Co.， Ltd.， Guangyuan， Sichuan Province， 628000 China

Abstract： The geological conditions of the 31111 steep intelligent fully-mechanized mining face in the Shidong‐gou coal mine were analyzed and studied before mining. During mining， it is found that there are four reverse faults in the 31111 return airway and transportation roadway， which will cause different degrees of support and mining difficulties to the safety production of the coal mine and the advancement of the fully-mechanized coal mining face. For the characteristics of frequent changes in the inclination and mining height of the face， the Shidonggou coal mine has optimized the supporting functions and structures of brackets， and proposed the study and experiment of advanced drilling and grouting reinforcement technology for crossing structural zones， which provides technical support and directional positioning for the supporting selection of equipment for the steep intelligent fullymechanized mining face with large mining height.

Key Words： Steep face； Grouting reinforcement； Crossing the tectonic zone； Intelligent coal mining

1 概況和目前的問題

1.1 石洞溝煤礦31111工作面概況

石洞溝煤礦31111急傾斜智能化綜采工作面最大傾斜長(zhǎng)度90 m，最小傾斜長(zhǎng)度78 m，平均傾斜長(zhǎng)度為84 m；煤層傾向約163°～265°，傾角45°～65°，工作面東部煤層傾角較陡。10號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，11號(hào)煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤層全高2.75～4.74 m，平均全高約3.75 m，平均純煤厚度約2.13 m，工作面內(nèi)部煤層厚度變化較小，煤層之間夾有一層粉砂質(zhì)泥巖厚0.10 m。

在推進(jìn)過程中，發(fā)現(xiàn)31111回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷存在四個(gè)逆斷層，其中運(yùn)輸巷F5逆斷層影響最大，該F5斷層產(chǎn)狀為132°∠107°，最大斷距為2.2 m，根據(jù)推斷，該斷層沿北東方向延展，從西向東沿31111運(yùn)輸巷走向方向影響長(zhǎng)度為25 m（65～90 m）。煤層未斷失，上盤頂板較堅(jiān)硬變化較小，下盤頂板向煤層搓動(dòng)，煤層底板面降低，斷層疊加區(qū)域（運(yùn)輸巷70～75 m）煤層增厚至4.8 m。偽底為碳質(zhì)頁巖，厚0.2～0.5 m，斷層影響帶煤巖層較破碎。

1.2 煤巖的可注性分析

煤層f系數(shù)大，致密，正常煤層內(nèi)可注性較差[1]；煤層頂板、底板的巖性硬度大、致密，正常煤層頂、底板巖石內(nèi)可注性較差；逆斷層內(nèi)的煤巖層破碎帶寬度較小，所用注漿量不是很大；巷道所揭露的斷層處淺層，有少量裂隙、相對(duì)松動(dòng)；大鉆孔注漿封孔較淺時(shí)，會(huì)沿?cái)鄬恿严堵{、亦從原支護(hù)錨桿和錨索孔（端錨支護(hù)）中漏漿，淺層抵擋不住高壓注漿而漏漿[2]；漏漿就停，4型料凝固快，停后無法注進(jìn)，該鉆孔就不能再利用；由于斷層落差小，大鉆孔不易掌握角度，不易精準(zhǔn)定位，鉆孔易偏離斷層面，進(jìn)入煤層頂板堅(jiān)硬巖層，注漿量小或注不進(jìn)去；必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 注漿原理分析

2.1 注漿加固機(jī)理

利用化學(xué)漿液來充填和固結(jié)圍巖的裂隙面，提高圍巖整體性，充分發(fā)揮圍巖整體承載能力，保持圍巖穩(wěn)定[3]。對(duì)頂板破碎區(qū)密集加固，保證化學(xué)漿擴(kuò)散到頂板松散破碎區(qū)域，阻止頂板巖層脫落，固定頂板及煤幫。漿液注入巖層滲透分布軌跡是以鉆孔為主干的樹枝網(wǎng)狀分布形式，漿液充填巖層中的大小裂隙，增強(qiáng)了其穩(wěn)定性[4]。注漿固化后，頂板的抗彎能力增加，下沉量減小。巖體的內(nèi)聚力C增大、塊體接觸面積S增大，巖體的穩(wěn)定性系數(shù)提高。

2.2 頂板滑落破壞特征

式（2）中：r為擴(kuò)散半徑，單位為cm；k為地層的滲透系數(shù)，6×10-3 cm/s，t為注漿時(shí)間，取3 600 s；r0為注裝管半徑（38 m的高壓管），2.2 cm；h為以cm水柱表示的注漿壓力，1 000 cm（P=0.1 MPa）；η為巖石孔隙率，取5%；μ為漿液的相對(duì)黏度，取2.7。當(dāng)注漿壓力為4 MPa時(shí)，水泥砂漿擴(kuò)散半徑為3.0 m；當(dāng)注漿壓力為6 MPa時(shí)，水泥砂漿擴(kuò)散半徑為3.4 m；當(dāng)注漿壓力為8 MPa時(shí)，水泥砂漿擴(kuò)散半徑為3.7 m。

3 注漿方案

3.1 注漿加固優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1.1 總體步驟

第一步，淺層注漿封閉堵漏；第二步，深孔注漿固化斷層帶和煤體。（1）打鉆和注漿設(shè)備。淺孔注漿均采用鉆機(jī)打鉆，鉆頭規(guī)格為Φ50 mm；采用4分管（直徑Φ12.7 mm）進(jìn)行注漿。采用電動(dòng)注漿機(jī)注漿。淺孔注漿的目的為封堵錨桿錨索孔漏漿和斷層裂隙漏漿。（2）運(yùn)輸巷封閉斷層處淺層，淺層注漿堵漏分三步走的方式進(jìn)行。

3.1.2 注漿堵漏

先淺孔注漿，以封閉加固巷道內(nèi)揭露斷層的圍巖（煤）。淺層形成封堵加固層，以利高壓注漿。運(yùn)輸巷淺孔鉆孔布置：分上下兩排布置；上排孔：距煤層頂板向下1.4 m，排距6 m，孔深6 m；采用鉆機(jī)、鉆頭規(guī)格Φ50 mm打眼；鉆孔仰角55°，為順層孔，方位垂直運(yùn)輸巷走向。采用4分管（直徑Φ12.7 mm）注漿；注漿管采用4分鍍鋅鐵管加工，每節(jié)長(zhǎng)2 m，每孔2節(jié)注漿管，外端為實(shí)管，里端為花管，注漿管兩端有絲，絲距與連接套配合；使用止?jié){塞封孔器（規(guī)格38×350 mm）封孔，止?jié){塞封孔位置在孔深2 m處，注漿管安裝外露長(zhǎng)100 mm。每孔使用1個(gè)2 m注漿實(shí)管+1個(gè)封孔器+1個(gè)連接套+2個(gè)注漿花管。下排孔：位置在回采幫頂角處，距上排孔約1.8 m；鉆孔仰角40°；排距6 m，孔深6 m；使用注漿管注漿，規(guī)格尺寸與上排孔一致。上下排孔均采用4型料注漿堵漏。

3.1.3 加強(qiáng)注漿固化淺層

在第一步注漿堵漏的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)注漿；方法是在第一步鉆孔中間布置加強(qiáng)注漿孔，鉆孔布置、規(guī)格與上排孔一致；并進(jìn)行注漿。與前后鉆孔間距為3 m。

3.1.4 注漿效果檢查

在第一步注漿堵漏和第二步加強(qiáng)注漿固化淺層的基礎(chǔ)上，進(jìn)行注漿效果檢驗(yàn)。即在認(rèn)為最薄弱的地點(diǎn)打一個(gè)注漿孔進(jìn)行注漿檢驗(yàn)，若注不進(jìn)去時(shí)，注漿效果已達(dá)到要求。

3.2 運(yùn)輸巷深孔注漿固化斷層

煤體及斷層的空間有6個(gè)方向，頂?shù)装鍍蓚€(gè)方向?yàn)閹r層，淺孔注漿已堵住一個(gè)方向；深孔注漿固化時(shí)，漿液只能向鉆孔的兩邊和前方擴(kuò)散；漿液遇斷層時(shí)首先進(jìn)入斷層面和裂隙而進(jìn)行固化。

3.2.1 方法

分兩步施工。第一步：距頂板上角向下1.6 m布置鉆孔。深度35～40 m，方位垂直運(yùn)輸巷回采幫，仰角為順層孔，即仰角55°，鉆孔間距6 m，并注漿。第二步：在第一步注漿的基礎(chǔ)上，在鉆孔之間打一個(gè)再進(jìn)行注漿，若注不進(jìn)去時(shí)，注漿效果已達(dá)到要求。

3.2.2 使用設(shè)備和工具

使用鉆機(jī)、直徑Φ75 mm的鉆頭打眼，直徑Φ32 mm的PVC管輸漿，兩堵一注的囊?guī)Х饪祝饪咨疃?～6 m，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和實(shí)用為準(zhǔn)。封孔時(shí)注漿有效的細(xì)節(jié)操作。鉆孔位置較高時(shí)，需設(shè)置腳手架，安全可靠。

4 穿越構(gòu)造帶方法及措施

（1）根據(jù)工作面煤層賦層條件和穿越構(gòu)造帶加固治理中注漿效果進(jìn)行開采技術(shù)的配套。本次工作面過f5斷層中進(jìn)行回采，首先采取上盤控制下盤、下盤挑頂留底煤、平滑過渡進(jìn)入煤層疊加區(qū)域后再沿上盤頂板留底煤提架開采。期間工作面及下出口受采高及頂?shù)装宓纫蛩赜绊憰r(shí)，及時(shí)采取相應(yīng)拉架技術(shù)措施，確保過斷層順利開采。（2）過斷層期間當(dāng)工作面回采至運(yùn)輸巷90 m處，開始留底煤、切割偽頂、直接頂提架開采，留底煤提架起始階段割煤時(shí)留底一循，平割2～3循，一次留底高度不超過100 mm開采，將支架順利過渡到提架斜面后，按其正規(guī)循環(huán)操作推進(jìn)至采過斷層面。（3）留底提架參數(shù)：從運(yùn)輸巷90 m處開始留底提架，回采到機(jī)巷65 m位置時(shí)隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，工作面沿?cái)鄬泳€方向的煤層依次要進(jìn)行割頂，直至斷層結(jié)束。該斷層走向留底提架長(zhǎng)度為25～30 m，總提底高度約1.7 m，平均每推進(jìn)一循環(huán)提底高度50 mm，整體提底坡度為4°。（4）過斷層期間要求：①嚴(yán)格控制斷層回采區(qū)域割煤質(zhì)量，加強(qiáng)推溜移架管理；②在正常采高范圍內(nèi)，在移架、調(diào)架過程中，嚴(yán)格按照作業(yè)規(guī)程、操作規(guī)程要求重點(diǎn)對(duì)支架重要參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，規(guī)范支架偽斜角、仰俯角、支架錯(cuò)差等參數(shù)，過斷層區(qū)域能夠接頂?shù)闹Ъ芄ぷ髯枇σ筮_(dá)到支架不下滑范圍；③工作面嚴(yán)格控制直線度；④工作面留底割煤后，盡快通過推溜將所留底煤壓穩(wěn)，留底段移架時(shí)要精準(zhǔn)操作；⑤留底區(qū)域上、下行割煤時(shí)要避免將已留底煤誤割；⑥管控好割煤質(zhì)量，嚴(yán)格控制頂?shù)装迤秸?，杜絕出現(xiàn)嚴(yán)重起伏造成支架偏斜，中部槽啞鈴銷脫落、損壞等問題。工作面調(diào)整斷層段液壓支架及中部槽直線時(shí)，控制使用成組推溜，嚴(yán)禁強(qiáng)行推溜。

5 穿越構(gòu)造帶施工安全技術(shù)工藝

（1）割煤過程嚴(yán)禁空頂、空幫。（2）過斷層區(qū)域工作面下段煤層底板面偏低，工作面割煤時(shí)控制好速度。處理下出口安全時(shí)工作面嚴(yán)禁其他工序作業(yè)。（3）作業(yè)人員要服從現(xiàn)場(chǎng)管理人員的統(tǒng)一指揮。（4）回采期間，移架工操作時(shí)，液壓支架下方嚴(yán)禁其他人員作業(yè)，工作面的語音信號(hào)必須保證完整、可靠。

6 效益

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）按照當(dāng)前31111綜采工作面4處逆斷層走向長(zhǎng)度130 m，工作面斜長(zhǎng)90 m，采高3.7 m，容重1.5，煤炭?jī)r(jià)格500元/t計(jì)算，則31111綜采工作面過構(gòu)造帶開采創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益為130×90×3.7××500≈216.45萬元；（2）減少了綜采工作面搬家倒面次數(shù)，至少減少4個(gè)月的生產(chǎn)影響，按照綜采工作面月產(chǎn)量40 000 t，煤炭?jī)r(jià)格500元/t計(jì)算，可減少直接產(chǎn)量影響產(chǎn)值：40000×4×500=8000萬元；通過實(shí)施穿越構(gòu)造帶破碎頂板加固治理，31111綜采工作面累計(jì)可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益8 216.5萬元。

6.2 社會(huì)效益

石洞溝煤礦31111急傾斜智能化綜采工作面穿越構(gòu)造帶破碎頂板加固技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，取得的社會(huì)效益如下：（1）減少了煤炭資源損失量，提高了回采率；（2）工作面構(gòu)造帶破碎頂板的成功加固，減少了煤礦冒頂事故，保障了煤礦安全生產(chǎn)；（3）工作面構(gòu)造帶破碎頂板的成功加固，減少了工作面搬家倒面的次數(shù)，保障了急傾斜煤層智能化開采的正常生產(chǎn)。

7 結(jié)論

（1）該項(xiàng)目的推廣，順應(yīng)煤炭行業(yè)歷經(jīng)人力、炮采、機(jī)采，并向自動(dòng)化、智能化方向的發(fā)展趨勢(shì)，遵循采煤產(chǎn)業(yè)促進(jìn)生產(chǎn)效益、提高市場(chǎng)效益的發(fā)展必然規(guī)律。（2）響應(yīng)了國(guó)家能源政策“十三五資源領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃”，推進(jìn)煤炭資源向安全、綠色、智能、高效開發(fā)轉(zhuǎn)變。（3）貫徹了落實(shí)國(guó)家“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人、科技強(qiáng)安”政策，助推煤炭行業(yè) “四化”（機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化、智能化）。

參考文獻(xiàn)

[1]張勇.注漿加固技術(shù)在綜采工作面過斷層時(shí)的應(yīng)用[J].江西煤炭科技，2021（3）：69-71.

[2]李宗翔，吳邦大，李剛，等.段王礦煤層注水可注性指標(biāo)實(shí)驗(yàn)與預(yù)判[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，36（11）：1121-1125.

[3]鄭馨，于國(guó)志，李富強(qiáng).綜采工作面過斷層注漿加固技術(shù)研究[J].能源與節(jié)能，2022（7）：148-150.

[4]田瑞云.極復(fù)雜地質(zhì)條件下覆巖離層注漿可注性評(píng)價(jià)技術(shù)[J].煤炭與化工，2022，45（12）：12-14，18.

[5]孫澤權(quán)，蔣力帥，郭濤，等.動(dòng)載擾動(dòng)下復(fù)合頂板巷道圍巖變形破壞特征[J].煤炭技術(shù)，2022，41（1）：13-19.

[6]劉忠斌.綜放工作面過斷層超前注漿加固技術(shù)研究[J].山西化工，2020，40（5）：127-129，135.