任學(xué)軍
【摘 要】 文章針對(duì)綜放工作面過(guò)斷層時(shí)底板松軟、下陷問(wèn)題,提出采用超前注漿方式來(lái)加固斷層破碎帶煤層,使綜放工作面平穩(wěn)順利通過(guò)斷層帶。研究結(jié)果表明:1)選用單液水泥漿、化學(xué)漿液交叉方式,發(fā)揮不同漿液優(yōu)勢(shì),可提高注漿加固效果;2)注漿漿液在松軟破碎煤體中形成膠結(jié)骨架,顯著提高了煤體承載能力,可有效避免刮板輸送機(jī)、液壓支架等設(shè)備陷入底板問(wèn)題;3)采面在過(guò)斷層期間綜放設(shè)備未再出現(xiàn)下陷底板問(wèn)題,整個(gè)推進(jìn)過(guò)程較為平穩(wěn)。研究成果為其他礦井工作面過(guò)斷層帶底板松軟、下陷問(wèn)題提供一定參考借鑒。
【關(guān)鍵詞】 注漿加固;斷層破碎帶;松軟煤層;綜放設(shè)備
【中圖分類號(hào)】 TD823 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A
【文章編號(hào)】 2096-4102(2020)05-0006-03
斷層是煤炭開采過(guò)程中常見地質(zhì)構(gòu)造,采面過(guò)斷層破碎帶時(shí)若不能針對(duì)性采取防治措施往往會(huì)出現(xiàn)煤壁片幫、頂板冒落等問(wèn)題,給礦井正常生產(chǎn)帶來(lái)不利影響。隨著礦井綜合機(jī)械化開采水平的提升,采煤機(jī)、液壓支架功率、重量不斷增加,當(dāng)綜放設(shè)備推進(jìn)至斷層破碎帶附近時(shí)由于巖層本身承載能力差,容易出現(xiàn)綜放設(shè)備下陷問(wèn)題,給采面正常生產(chǎn)帶來(lái)不利影響。注漿加固是提高巖層承載能力的重要技術(shù)措施,文中就預(yù)注漿技術(shù)在綜放工作面過(guò)斷層中的應(yīng)用進(jìn)行分析,以期研究成果為其他類似工程問(wèn)題提供借鑒。
1 工程概況
山西某礦開采的8號(hào)煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,井田范圍內(nèi)斷層發(fā)育(以正斷層為主),礦井8110綜放工作面開采的8號(hào)煤層厚度7.15m,煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,夾雜4~7層高嶺石、炭質(zhì)泥巖夾矸。
8110綜放工作面開采范圍內(nèi)受到DF42(H=7.2m,195°∠42°)、DF52(H=5.2m,117°∠36°)影響,造成采面中部存在寬50m、長(zhǎng)約400m的煤層破碎帶,在該破碎帶內(nèi)煤層底板下陷0.5~3.8m,且較為松軟。
2 注漿加固設(shè)計(jì)
采面開采時(shí)DF42、DF52斷層主要影響是造成煤層底板下陷、煤體破碎且松軟,無(wú)法給刮板輸送機(jī)、液壓支架提供足夠承載力,為此注漿加固的重點(diǎn)是對(duì)破碎松軟的煤體進(jìn)行加固。
2.1 加固方案
根據(jù)8110綜放工作面開采地質(zhì)條件以及礦井生產(chǎn)現(xiàn)狀,經(jīng)過(guò)綜合分析決定在采面運(yùn)輸巷向采面煤層下陷區(qū)進(jìn)行注漿加固,具體加固范圍為采面前方950~1365m。在采面前方950~1210m范圍內(nèi)煤層下塹到底板0.5~1.3m,煤體松軟,設(shè)計(jì)的注漿鉆孔間距為3m、孔深為30~50m;在采面前方1210~1365m范圍內(nèi)煤層陷入到底板1.25~3.8m,注漿孔間距仍為3m、孔深為25~30m。鉆孔布置角度依據(jù)底煤厚度變化進(jìn)行調(diào)整,確保有效注漿區(qū)域可覆蓋整個(gè)底煤區(qū)。
在采面950~1210m、1210~1365m范圍在運(yùn)輸巷布置注漿孔,鉆孔間距3m、孔深25~50m,開孔位于巷道底板上方1.0m處。由于煤層下塹底板深度在0.5~3.8m,經(jīng)過(guò)計(jì)算鉆孔傾角應(yīng)位于3~11°,為了便于現(xiàn)場(chǎng)施工,將鉆孔傾角統(tǒng)一為8°。注漿鉆孔布置設(shè)計(jì)圖見圖1。
2.2注漿材料確定
提升破碎煤巖體承載能力及穩(wěn)定性的加固材料可分為化學(xué)漿液(有機(jī)類)、水泥類漿液(無(wú)機(jī)類)兩類?;瘜W(xué)漿液為高分子材料,一般用于封堵加固裂隙較小的煤巖體;水泥類漿液主要用以充填、加固裂隙較大的煤巖體。根據(jù)采面情況,注漿先選用單液水泥漿(P·O42.5硅酸鹽水泥配制),若加固強(qiáng)度或加固效果不滿足需要時(shí)則選用化學(xué)漿液(無(wú)毒、安全的改性脲醛樹脂)。
受到斷層影響在注漿區(qū)域內(nèi)煤體松軟,注漿難度較大,在注漿過(guò)程中應(yīng)注意調(diào)整水泥漿液濃度以及化學(xué)漿液配備(A、B料配比)。根據(jù)有關(guān)研究成果,化學(xué)漿液A、B料按照3∶1配比時(shí)可提升松軟煤體注漿效果。
2.3注漿孔封孔
在鉆孔注漿初期選用止?jié){塞進(jìn)行封孔,但是由于注漿壓力大封孔效果不佳,部分漿液從孔口溢出。后經(jīng)過(guò)反復(fù)改良、試驗(yàn)后最終選用孔口封孔結(jié)構(gòu)(見圖2)進(jìn)行封孔,該裝置通過(guò)2根(一根長(zhǎng)3m、一根長(zhǎng)6m)孔徑29mm孔口管(無(wú)縫鋼管),3m長(zhǎng)孔口管用以注漿(馬麗散)實(shí)現(xiàn)孔口封堵,通過(guò)孔口管兩端的麻絲來(lái)減少封孔漿液的泄漏量;6m長(zhǎng)孔口管用以鉆孔注漿加固。
2.4漿液有效擴(kuò)散半徑
注漿漿液有效擴(kuò)散半徑與注漿漿液濃度、注漿工藝、注漿時(shí)間以及漿液濃度等參數(shù)有關(guān),通常注漿時(shí)漿液優(yōu)先沿著裂隙發(fā)育面擴(kuò)展,漿液擴(kuò)散不均衡。根據(jù)礦井以往注漿經(jīng)驗(yàn),本次注漿確定的漿液有效擴(kuò)散半徑為2.0m。
2.5注漿壓力
注漿壓力過(guò)大會(huì)產(chǎn)生新的裂隙不利于增加煤體強(qiáng)度,注漿壓力過(guò)小則存在注漿盲區(qū)不能得到預(yù)期目的。一般情況下,注漿鉆孔最大注漿應(yīng)力為2~2.5倍注漿點(diǎn)靜水壓力。在8110運(yùn)輸巷注漿點(diǎn)位置靜水壓力取值為4.0MPa,則注漿孔最大注水壓力應(yīng)在8~10MPa。結(jié)合注漿點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,最終確定最大注漿壓力為10MPa。
2.6注漿量
煤巖性質(zhì)差異導(dǎo)致不同注漿孔注漿量存在差異,一般情況下注漿壓力達(dá)到最大值鉆孔內(nèi)漿液基本不向外繼續(xù)擴(kuò)散,此時(shí)再保壓30min即可停止注漿。具體鉆孔注漿量(Q)可采用下述公式計(jì)算:
Q=NAR2πHβη/m
其中:N為注漿鉆孔數(shù)量(個(gè));A為漿液消耗系數(shù);R為漿液有效擴(kuò)散半徑(m);H為注漿孔深(m);β為注漿漿液充填系數(shù);η為注漿目標(biāo)巖層孔隙率(%);m為漿液結(jié)石率。
具體N=90;A=1.2~1.5;R=2;H=25~50;β=0.8~0.9;η=1%;m=0.85,將上述參數(shù)代入公式(1)求得Q=315~630(m3)。
3注漿效果分析
在采面運(yùn)輸巷采用2臺(tái)型號(hào)為2TGZ-60注漿泵(功率11kW、注漿量60L/min)進(jìn)行注漿,通過(guò)單液水泥漿、化學(xué)漿液交叉注漿來(lái)提高斷層影響破碎帶煤體強(qiáng)度。整個(gè)注漿加固共耗時(shí)63d,完成90個(gè)鉆孔鉆進(jìn)、注漿工作,注漿孔水泥漿單孔最大注入量為2.4m3、化學(xué)漿液?jiǎn)慰鬃⑷肓窟_(dá)到3.2t,整個(gè)注漿孔共計(jì)注入64.9m3水泥漿、31t化學(xué)漿液。注漿孔實(shí)際注入量遠(yuǎn)小于理論計(jì)算得出的注漿量,分析主要是由于漿液實(shí)際有效擴(kuò)散半徑、煤體裂隙率等參數(shù)選取值與實(shí)際值間存在偏差。