李 釗,金兆濤,聶利亞,周海貞

(濟(jì)寧浩珂礦業(yè)工程設(shè)備有限公司,山東濟(jì)寧 272104)

極軟煤層大采高綜采化學(xué)注漿控制片幫冒頂技術(shù)

李 釗,金兆濤,聶利亞,周海貞

(濟(jì)寧浩珂礦業(yè)工程設(shè)備有限公司,山東濟(jì)寧 272104)

Technology of Roof Falling and Coal Sliding Prevention of Large-m in ing-height Fully-mechan izedM in ing Face in Extremely Soft Coal Seam

為了解決趙莊煤礦在極軟較厚不穩(wěn)定煤層條件下采用 4.5m大采高綜采一次采全高工藝,實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)的大面積煤壁片幫和端面冒頂?shù)募夹g(shù)難題,針對(duì)性地提出化學(xué)漿液預(yù)注漿控制工作面煤壁片幫和空頂區(qū)頂板垮冒技術(shù),并針對(duì)不同片幫冒頂形式合理設(shè)計(jì)注漿技術(shù)方案,采取分步實(shí)施的動(dòng)態(tài)施工工藝,保證了工作面的安全高效回采。

極軟較厚煤層;大采高綜采;化學(xué)注漿;片幫;冒頂

趙莊煤礦屬于晉煤集團(tuán)新建礦井,位于沁水煤田東南部,主采 3號(hào)煤層,煤層總厚 4.4～4.7m,平均 4.5m,煤層傾角 1～12°,平均 8°。煤層硬度系數(shù) f=0.4～1.32。內(nèi)生裂隙發(fā)育,參差狀及貝殼狀斷口。煤層從上往下松軟 (裂隙發(fā)育,破碎)→較硬 (裂隙發(fā)育小,有一定整體性)→松軟(裂隙發(fā)育,破碎),整體表現(xiàn)質(zhì)軟、疏松。主要為線理狀、條帶狀、層狀結(jié)構(gòu),有時(shí)可見(jiàn)均一狀結(jié)構(gòu),塊狀結(jié)構(gòu)。直接頂為 3.6m左右的砂質(zhì)泥巖,部分區(qū)域?yàn)槟鄮r或細(xì)粒砂巖互層,層理發(fā)育,巖體穩(wěn)定性較差。泥巖底板,質(zhì)硬,斷口平坦厚層狀,巖石較完整,區(qū)內(nèi)穩(wěn)定,起伏變化小。采用走向長(zhǎng)壁一次采全高采煤法,后退式開(kāi)采,頂板控制為自然垮落法?；夭晒ぷ髅嫜孛簩幼呦虿贾?可采長(zhǎng)度890m,傾斜寬度 219 m。該工作面煤層超前支承壓力顯著影響區(qū)為 15～20m,支承壓力峰值點(diǎn)位置在煤壁前方 8m左右,煤體卸壓帶寬度為 3m,應(yīng)力集中系數(shù)為 1.6。

在開(kāi)采過(guò)程中,由于煤軟、頂板碎等開(kāi)采條件,工作面極易發(fā)生大面積片幫和端面冒頂,使得高能力的采面裝備不能發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益,并嚴(yán)重影響工作面的安全生產(chǎn),使回采無(wú)法正常進(jìn)行,工作面的煤壁和頂板控制問(wèn)題成為安全生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵。

1 工作面頻繁片幫冒頂原因分析

(1)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷層、隱伏性陷落柱、牽引褶曲、煤層產(chǎn)狀急劇變化、煤系地層沉積形成的鍋底構(gòu)造、節(jié)理、裂隙等異常地質(zhì)構(gòu)造影響頻繁。工作面巷道掘進(jìn)共揭露 8條正斷層,產(chǎn)狀 310～336°∠42～63°,H=1.0～5.6m。并根據(jù)鉆探和坑透結(jié)果在工作面內(nèi)撤架通道往北 198m處發(fā)育有一陷落柱DX26,長(zhǎng)軸 66m,短軸 50m。

(2)煤層部分地段偽頂厚,頂板砂巖裂縫水弱化頂板巖石強(qiáng)度,造成頂板易破碎,同時(shí)煤質(zhì)較軟,煤層易片幫。

(3)采高較大,回采期間煤層頂板及煤壁壓力大,裂隙發(fā)育處頂板易破碎、塌頂,煤質(zhì)軟硬發(fā)育不均,容易片幫。

(4)受巖層產(chǎn)狀影響,工作面傾斜仰采區(qū)域較多,工作面往西往北方向煤巖層均為上山,局部段仰角達(dá)到 12°,割煤后的煤壁微前傾,頂部煤體自身重力形成指向采空區(qū)的分力,工作面煤壁穩(wěn)定性隨仰采角度增大而降低,容易誘發(fā)片幫。

(5)工作面由于停產(chǎn)造成推進(jìn)速度緩慢,引發(fā)采動(dòng)應(yīng)力集中,煤壁支承壓力增大,裂隙進(jìn)一步發(fā)育,直至片幫垮落。

(6)工作面頂煤松軟、穩(wěn)定性差。在頂板以下 2～2.5m范圍內(nèi)煤體明顯比底煤穩(wěn)定性差。頂部煤體片幫后,造成局部空頂,又成為冒頂誘因。

2 片幫冒頂?shù)男问胶推茐臓顩r

回采過(guò)程中在煤層上半部區(qū)域裂隙、節(jié)理處均有不同程度的片幫。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察總結(jié),表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:

(1)頂部煤體呈大塊狀整體滑落、片幫。片幫角度 40～60°,深度 1～3m。造成端面空頂距加大,架前頂板大面積懸空暴露,處于失控狀態(tài)。在較短時(shí)間內(nèi)直接頂巖層垮落,發(fā)生架前冒頂。

(2)片冒區(qū)域的煤體裂隙呈劈裂狀分布,并非層狀裂隙展布。工作面破碎區(qū)從煤壁揭露情況看,垂直、傾斜裂隙遠(yuǎn)比水平裂隙多,裂隙分割的煤壁多呈塊狀分布,特別是重點(diǎn)控制的高度在2.5m以上的軟弱破碎區(qū)域。

(3)現(xiàn)煤層屬于爬坡開(kāi)采,溜槽、架子都呈一定的角度上仰,進(jìn)刀后,更容易引發(fā)頂部煤體大面積失穩(wěn)、片狀滑落。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)分析,對(duì) 1304工作面破壞形式按照區(qū)域劃分進(jìn)行分析:

區(qū)域 1 破碎頂板地段 (機(jī)頭位置 3～15號(hào)架)在機(jī)頭位置,由于頂板破碎,頂煤片幫后,隨即引起頂板冒落。片幫角度 40～60°,深度 1～3m。頂板冒頂高度達(dá)到 1～3m,冒落寬度最大達(dá)到8m。

區(qū)域 2 頂部片幫地段 (中間位置 20～95號(hào)架)工作面中間段,片幫形式主要是頂煤片落,在工作面形成傾斜面后區(qū)域穩(wěn)定,片幫寬度基本為2～4個(gè)支架寬度,深度為 1.5m左右。

區(qū)域 3 大塊失穩(wěn),劈裂滑移地段 (機(jī)尾局部位置 95～115號(hào)架),通過(guò)對(duì)機(jī)尾段割煤時(shí)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤觀察發(fā)現(xiàn),機(jī)尾位置的片幫形式為:一次片幫后,在前方 2～3m位置煤體中存在劈裂滑移面,在割第 1刀煤后,由于其滑移段煤體寬度較大,在工作面還不至于引起片落,當(dāng)割第 2刀煤后,如不實(shí)施注漿固化,即可引起片落。這一顯現(xiàn)通過(guò)在此段割煤后,存留在注漿封孔器前方的呈劈裂狀分布的漿液 (漿脈厚度達(dá)到 8～25mm,且非紋理狀展布)情況得到證實(shí)。

3 治理方案及其控制措施

3.1 注漿控制技術(shù)方案

根據(jù)工作面開(kāi)采情況,為減少片幫冒頂對(duì)生產(chǎn)造成的安全隱患,對(duì)其進(jìn)行加固治理。提出以下綜合分步實(shí)施的圍巖強(qiáng)化控制技術(shù)方案:破碎頂板區(qū)域以單排眼挑頂方式固化頂板圍巖注漿為主;頂部片幫區(qū)域以破碎煤體均勻注漿粘接固化為主;劈裂滑移區(qū)域以注漿管錨注整體穩(wěn)固煤幫為主。頂部片幫區(qū)域注漿鉆孔布置位置見(jiàn)圖 1。其他區(qū)域參照表1的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行布置。

圖 1 頂部片幫區(qū)域注漿鉆孔布置位置

針對(duì)工作面 3種典型破壞方式,采用不同注漿鉆孔布置方式。注漿加固參數(shù)見(jiàn)表 1。

具體施工方案為:用煤電鉆打孔,封孔器(長(zhǎng) 2.5m)封孔,利用專用注漿泵,通過(guò)注漿泵的高壓力,使馬麗散材料充分注人煤層內(nèi)以加固破碎煤巖體。為方便施工,打孔和注漿可按照單雙號(hào)間隔跳孔實(shí)施。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為:達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力,并穩(wěn)壓 3min以上;雖未達(dá)到注漿壓力,但周邊煤壁溢漿嚴(yán)重;注漿過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常情況,及時(shí)停泵。注漿施工工藝流程:打眼→安裝注漿管→高壓管連接注射槍和注漿泵→把吸管分別插入樹(shù)脂和催化劑桶→開(kāi)泵注漿→沖洗機(jī)具→停泵拆卸注射槍。注漿系統(tǒng)設(shè)備及工藝見(jiàn)圖 2。

表 1 工作面注漿加固注漿技術(shù)參數(shù)

3.2 注漿加固材料及工藝

高分子化學(xué)加固材料——馬麗散是由 2種組分組成 (樹(shù)脂和催化劑)的聚亞膠脂注漿材料,用于煤巖體的加固。產(chǎn)品的黏結(jié)強(qiáng)度高,機(jī)械性能優(yōu)異,能夠與煤巖體產(chǎn)生高度黏合。材料在注入到煤巖體裂隙中后,低黏度的混合物可以保持 20～60s左右的液體狀態(tài),在擴(kuò)散一定范圍后反應(yīng)結(jié)束,在煤巖體裂縫內(nèi)反應(yīng)、硬化,與煤巖體膠結(jié),達(dá)到快速加固煤巖體的目的。其技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題及采取的措施

(1)工作面機(jī)頭三角區(qū)的穩(wěn)固對(duì)防止工作面端頭片幫冒頂具有重要影響。為此在實(shí)施過(guò)程中對(duì)此區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)控制,對(duì)于機(jī)頭三角區(qū)進(jìn)行密集注漿,布置2排注漿鉆孔,孔間距2.5m,下排注漿孔固化頂煤,上部注漿孔增加高度,盡量保證馬麗散擴(kuò)散到頂板區(qū)域。機(jī)尾三角區(qū)域基本穩(wěn)定,未注馬麗散。

表2 馬麗散N漿液及固化物技術(shù)數(shù)據(jù)

圖2 雙液化學(xué)注漿系統(tǒng)設(shè)備及工藝

(2)運(yùn)輸巷受壓力影響收斂變形嚴(yán)重,需進(jìn)行臥底、刷幫才能保證端頭支架推移,嚴(yán)重影響工作面推進(jìn)速度,為此采用巷道內(nèi)超前平行孔注漿加固。在機(jī)頭運(yùn)輸巷,按照 15m1個(gè)循環(huán)布置 1排注漿孔,提前對(duì)該區(qū)域進(jìn)行控制?？咨?7m,由于此段煤體破碎,為防止返漿,封孔深度 3m。

(3)若煤質(zhì)較硬、頂板條件變好時(shí),即使小范圍發(fā)生片幫,通過(guò)使支架頂梁適當(dāng)上仰接頂,控制好采高,一般可以正常推進(jìn)通過(guò)。在回采時(shí)控制采高,超前移架,配合單體帶壓移架,保證支架初撐力,超前支護(hù)頂板。局部位置可降低采高,保證支架支撐頂板效果。

(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施發(fā)現(xiàn)漿液從鉆孔和封孔器之間或鉆孔附近煤體裂隙中滲透、冒出,要根據(jù)煤體裂隙發(fā)育情況,合理地確定封孔器埋設(shè)的深度。針對(duì)煤壁比較完整地段,封孔深度為 2～2.5m。針對(duì)片冒后形成斜坡區(qū)域封孔深度適宜為 3～3.5m。并且埋設(shè)前將封孔器下到位置后前后抽動(dòng)以保證將孔內(nèi)的煤粉塊清理干凈,保證封孔器橡膠套管膨脹后與孔壁結(jié)合緊密。對(duì)大量返漿采取了封堵措施和停泵穩(wěn)定后再進(jìn)行注漿的處理措施。要重新布孔重新注漿,確保注漿效果。

(5)廢孔補(bǔ)充注漿。對(duì)于注漿后返漿嚴(yán)重的鉆孔,在停注馬麗散后,需在其附近補(bǔ)打 1個(gè)鉆孔補(bǔ)充注漿。

(6)根據(jù)圍巖狀況加固,保證施工安全,節(jié)約漿液消耗。每一次注漿參數(shù)應(yīng)參考以往圍巖地質(zhì)情況注漿后的效果及時(shí)調(diào)整。

4 控制效果

(1)通過(guò)鉆孔窺視,對(duì)漿液在工作面煤壁內(nèi)圍巖裂隙中的分布情況及對(duì)軟弱面、劈裂滑移面和破碎圈等的膠結(jié)固化情況進(jìn)行觀測(cè)檢驗(yàn),窺視結(jié)果(見(jiàn)圖 3～圖 6)表明:注漿施工對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行了有效充填,漿液滲透到破碎煤巖體內(nèi)部,形成了較完整密實(shí)的漿液固結(jié)體,煤巖體裂隙、滑移面內(nèi)形成了完整而致密的充填層。漿液通過(guò)注漿擴(kuò)散,在圍巖裂隙中,枝狀漿脈相互交叉形成韌性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),增加了煤體的整體結(jié)構(gòu)和承載能力。

圖3 40號(hào)支架距頂 1.5m處破碎情況

圖 4 103號(hào)支架距頂2m處劈裂面情況

圖 5 45號(hào)支架距頂 1.5m處漿液擴(kuò)散效果

圖 6 98號(hào)支架距頂2m處漿液擴(kuò)散效果

(2)割煤后,漿液擴(kuò)散區(qū)域煤壁齒痕明顯,并能觀察到馬麗散漿脈擴(kuò)散后膠結(jié)煤體的情況。在煤壁加固后,整體性、強(qiáng)度等都有明顯提高,基本上有效避免了大面積片冒,安全性大大提高。

(3)通過(guò)注漿維護(hù),整個(gè)工作面基本穩(wěn)定,片幫冒頂顯現(xiàn)明顯減少,僅為 2～3架寬度的小范圍片幫,無(wú)冒頂顯現(xiàn),基本不影響割煤。

(4)由于機(jī)尾段比較特殊,滑移區(qū)域存在初期穩(wěn)定,割煤進(jìn)刀滑移煤塊整體錯(cuò)動(dòng)失穩(wěn)片幫現(xiàn)象,因此,在第 1循環(huán)注漿后割煤進(jìn)尺 2刀,再次插花進(jìn)行打孔注漿,利用新的注漿鉆孔將上一循環(huán)注漿的固結(jié)煤體串聯(lián)起來(lái)。這樣,采用此邁步式注漿方式基本可以解決機(jī)尾煤壁的滑移片幫問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本次極軟較厚不穩(wěn)定煤層大采高綜采片幫冒頂化學(xué)注漿控制實(shí)踐,得出以下結(jié)論:

(1)提出化學(xué)注漿控制煤壁和頂板,保障回采安全及綜合分步實(shí)施的圍巖強(qiáng)化控制技術(shù)方案證明:馬麗散化學(xué)注漿加固技術(shù)應(yīng)用于極軟較厚不穩(wěn)定煤層大采高綜采片幫冒頂化學(xué)注漿控制效果顯著。加固材料在破碎煤巖體內(nèi)部形成網(wǎng)狀整體,能夠有效提高破碎煤巖體的完整性。并用動(dòng)態(tài)過(guò)程控制技術(shù)指導(dǎo)施工,順利解決了片幫冒頂問(wèn)題。

(2)針對(duì)不同的片冒形式,結(jié)合化學(xué)注漿理論及工程經(jīng)驗(yàn),合理確定注漿加固方案、施工工藝及技術(shù)參數(shù),為今后類似困難條件下頻繁片冒的不穩(wěn)定煤層開(kāi)采積累了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

(3)化學(xué)注漿加固材料反應(yīng)性能優(yōu)異,固化時(shí)間快,設(shè)備簡(jiǎn)單,操作快捷,可滿足快速施工,快速處理,安全高效的生產(chǎn)需要。

(4)通過(guò)化學(xué)注漿對(duì)工作面煤壁和頂板發(fā)生破壞后,對(duì)其破壞程度的繼續(xù)發(fā)展起到控制作用,為下一循環(huán)割煤起到預(yù)防治理。簡(jiǎn)化了煤壁和頂板管理工序,為加快推進(jìn)速度,實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效創(chuàng)造了有利條件。

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[責(zé)任編輯:王興庫(kù)]

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1006-6225(2010)06-0057-04

2010-10-02

李 釗 (1984-),男,陜西寶雞人,工程師,現(xiàn)從事煤礦高分子化學(xué)注漿材料及工程應(yīng)用。