李永偉,雷東記

(1.中國平煤神馬能源化工集團十一礦, 河南 平頂山市 467099;2.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地,河南 焦作市 454000)

0 引言

煤礦開采中,采動會對煤層周圍巖體產(chǎn)生較大影響,使得原有的煤巖體及圍巖應(yīng)力重新分布,且一直處于動態(tài)變化的過程[1-3]。近年來,煤層采高的不斷加大,導(dǎo)致回采巷道及煤壁受到一系列相應(yīng)的礦山壓力影響,比如巷道變形增大、煤壁的片幫增加等[4-5],尤其是復(fù)合頂板對礦井安全回采的影響較為嚴(yán)重,復(fù)合頂板已成為煤巷圍巖控制的重點與難點[6-8]。

大采高工作面由于釆高大,受地質(zhì)構(gòu)造及斷層的影響,在開采過程中煤壁易發(fā)生片幫事故,造成端面頂板空頂面積加大,增加了支護滯后的時間,進而引起冒頂,嚴(yán)重影響工作面的安全回采和推進速度[9-11]。另外,對于復(fù)合頂板,掘進和回采過程中工作面兩巷頂板破碎、壓力大,變形嚴(yán)重,巷道返修工程量大,煤壁片幫冒頂時常發(fā)生,不僅嚴(yán)重影響工作面的安全高效生產(chǎn),同時也給工作面帶來了安全隱患[12-14]。目前傳統(tǒng)的控制圍巖的方法主要是支護技術(shù)。但僅依靠錨網(wǎng)、錨桿和錨索等支護材料的支撐力很難完全解決工作面圍巖破碎、高應(yīng)力、大變形、片幫冒頂?shù)葐栴}[15-17]。注漿加固技術(shù)可以有效改善圍巖結(jié)構(gòu)及性能,控制巷道圍巖,顯著地改善巷道受力狀況并大大減輕支架載荷[18-21]。因此,通過注漿加固工作面圍巖是防止工作面煤壁片幫及維護回采巷道的一種重要途徑。

1 工作面概況

本試驗研究在平煤十一礦己16-17-24050工作面,該工作面位于己四采區(qū)西翼,采用大采高一次采全厚的采煤方法,斜傾向長200 m,走向長1765 m。工作面所在區(qū)域煤層平均厚度為5.80 m,局部存在0.20～0.50 m的泥巖夾層,煤層結(jié)構(gòu)簡單,煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)煤;煤層傾角為4°～16°,一般為9°左右。煤層頂板存在一層0.43～1.37 m的泥巖或砂質(zhì)泥巖偽頂,并夾含1～2層0.10～0.20 m的煤線,開采時易出現(xiàn)脫層冒落;直接頂為5.30～9.00 m的中、細粒砂巖或砂質(zhì)泥巖互層,為易離層;煤層直接底為4.00～8.75 m的泥巖或砂質(zhì)泥巖,遇水膨脹;基本底為4.00～7.80 m的L2灰?guī)r,中間夾1～2層0.10～0.20 m煤線。該工作面為北東傾向的單斜構(gòu)造,煤層走向N:91°～151°,煤層傾角為4°～16°,一般為9°。根據(jù)工作面附近工程揭露斷層分析統(tǒng)計,共有8條斷層對該工作面產(chǎn)生影響。

2 注漿材料和設(shè)備

2.1 注漿材料

注漿加固技術(shù)的技術(shù)核心是利用礦用高分子加固材料。

煤礦加固煤巖體用高分子材料由A、B組分組成,A組分是均一清亮的液體,為純有機高分子混合物,該材料主要成分為聚醚多元醇;B組分是一種棕褐色清亮液體,為純有機高分子混合物,該材料主要成分為聚合MDI。A、B組分利用注漿裝置,按體積比1∶1混合均勻后注入工作面中,可快速充填煤巖體裂隙空間,改變煤巖體應(yīng)力分布情況,形成高強度、高黏度的固結(jié)體,提高煤巖體承重能力,迅速解決各種具有安全隱患的地層問題。煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料技術(shù)參數(shù)見表1和表2。

表1 煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料基本性能參數(shù)

表2 煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料阻燃性能參數(shù)

2.2 注漿設(shè)備

ZZQ-0.9/8煤礦高分子材料用注漿裝置(以下簡稱注漿裝置)是本次礦用高分子注漿裝置,該裝置采用壓風(fēng)作為動力,主要結(jié)構(gòu)包括:注漿泵、混合器、耐壓膠管、耐震壓力表、單向閥、安全閥、三通閥、混合液灌注管等。其主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 注漿設(shè)備性能參數(shù)

3 注漿加固技術(shù)

3.1 注漿施工工藝

注漿管采用6分鐵管,孔內(nèi)長度為45 m,前端4 m為6分鐵管加工的花管。

注漿過程主要分為鉆孔、封孔及安裝注漿管路、注漿三個步驟。施工工藝:標(biāo)孔→鉆孔→檢查鉆孔質(zhì)量→安裝注漿管及封孔→準(zhǔn)備漿液→開泵注漿→凝固→檢查注漿質(zhì)量→現(xiàn)場清理。

3.2 注漿技術(shù)參數(shù)

3.2.1 材料固化時間

工作面復(fù)合頂板注漿加固屬于深孔注漿施工工藝,由于普通注漿加固材料固化時間短,通常在40～60 s之間,容易出現(xiàn)材料未擴散即在鉆孔內(nèi)固化的情況。為保證復(fù)合頂部深孔注漿過程,高分子加固材料能夠在鉆孔內(nèi)有效擴散,材料重復(fù)混合后固化時間應(yīng)大于30 min。

3.2.2 注漿壓力

注漿壓力是指使?jié){液在巖層或土體中擴散時克服阻力所需要的壓力。由于復(fù)合頂板深孔注漿鉆孔周邊受采動影響相對較小,鉆孔周邊圍巖保持相對的完整性,若壓力過小則難以達到漿液擴散的目的,而增加注漿壓力能夠使?jié){液沿著裂隙滲入,有利于注漿工作的順利進行。因此,注漿壓力控制在8 MPa左右。

3.3 注漿鉆孔布置

根據(jù)工作面的地質(zhì)情況,分別對工作面泄水巷上口以里風(fēng)巷內(nèi)、泄水巷設(shè)計了適應(yīng)的注漿工藝。3.3.1 泄水巷上口以里風(fēng)巷注漿施工工藝在方案設(shè)計過程,注漿鉆孔從工作面兩巷進行開孔,鉆孔沿煤層頂板布置在工作面復(fù)合頂板內(nèi),鉆孔開孔直徑為89 mm,鉆孔長度約60 m,垂直風(fēng)巷下幫或右偏45°,傾角-4°～-7°,封孔深度30 m,封孔長度20 m,終孔位置布置在距煤層頂板1.5～3 m復(fù)合頂板內(nèi),以達到加固復(fù)合頂?shù)哪康?。泄水巷以里風(fēng)巷注漿孔布置如圖1所示。

圖1 泄水巷以里風(fēng)巷注漿孔布置(單位:mm)

3.3.2 泄水巷注漿施工工藝

由于西幫頂板距離工作面較遠,圍巖裂隙較少,深孔注漿施工無法進行有效注漿,但東幫深孔大部分能夠有效注漿。泄水巷附近復(fù)合頂板相對較厚,泄水巷受采動影響,后期變形量較大,極大影響工作面的正常回采。為保證工作面的安全生產(chǎn),現(xiàn)場采用深孔注漿和淺孔注漿相結(jié)合的方式對泄水巷兩幫進行注漿加固。其中深孔注漿孔15個,淺孔注漿孔46個。注漿鉆孔布置如圖2所示。

圖2 泄水巷深、淺注漿孔布置

從1月27日起,采面距泄水巷65 m,到2月17日,采面距泄水巷11 m,通過觀察,未在采面發(fā)現(xiàn)復(fù)合頂板深孔注漿滲透痕跡,說明漿液大部分滲透到復(fù)合頂板內(nèi)。2#孔注漿2.1 t,4#孔注漿1.37 t,8#孔注漿1.1 t,重點觀測了與之相對應(yīng)的103架、90架、69架附近區(qū)域。通過對采面持續(xù)觀測,2#、4#孔附近頂板情況相比未注漿和注漿量較少區(qū)域要好。

另外,為了保證泄水巷西幫的順利回采,通過在己16-17-24050機、風(fēng)兩巷布置14個注漿孔,通過深孔注漿加固泄水巷西幫頂部復(fù)合頂板,其鉆孔布置如圖3所示。注漿鉆孔長度為50～70 m,垂直煤壁幫工作面方向偏45°,直徑89 mm,孔間距15 m,終孔位置在距煤層頂板1.5～3 m復(fù)合頂板內(nèi)。鉆孔施工完成后,由于己16-17-24050采面頂板較破碎,注漿量較少,鉆孔注漿有效覆蓋范圍小,有效注漿覆蓋區(qū)域復(fù)合頂板相對完整,未在注漿范圍內(nèi)的85～100架頂板破碎。

圖3 泄水巷西幫機、風(fēng)兩巷鉆孔布置示意

3.4 注漿加固效果分析

己16-17-24050工作面共計布置深孔注漿鉆孔35個,共計注漿32 t。通過采取深、淺孔頂板及煤壁注漿加固措施,為己16-17-24050工作面順利過泄水巷提供了有力保障。通過現(xiàn)場注漿分析,得出以下幾點結(jié)論。

(1)高分子加固材料凝固時間為40～1800 s,能夠滿足復(fù)合頂板深孔注漿材料的擴散要求。高分子加固材料能夠?qū)⑵扑槊簬r體粘接成一個整體,在注漿泵高壓作用下,能夠?qū)γ簬r體裂隙進行有效充填,改變復(fù)合頂板的應(yīng)力狀態(tài),有效控制復(fù)合頂板跨落。通過對已注漿區(qū)域和未注漿區(qū)域內(nèi)的頂板觀察對比,發(fā)現(xiàn)注漿區(qū)域內(nèi)的頂板情況明顯優(yōu)于未注漿區(qū)域。

(2)在注漿區(qū)域內(nèi)的煤體里未發(fā)現(xiàn)明顯的材料擴散痕跡,說明按現(xiàn)行的注漿孔布置方案,材料基本上都注入了復(fù)合頂板內(nèi),現(xiàn)行方案是有效可行的。

(3)進行注漿施工時終孔位置應(yīng)處于工作面動壓區(qū)范圍內(nèi)。如不在動壓區(qū)范圍會出現(xiàn)圍巖裂隙不發(fā)育,漿液無法擴散的情況,影響注漿加固效果。

(4)注漿過程中,隨著注漿壓力的增加,注漿孔容易與瓦斯抽放孔連通,部分材料沿抽放孔泄露,使?jié){液無法進一步擴散,因此需要對注漿影響區(qū)域的瓦斯抽放孔進行二次封孔。

(5)注漿鉆孔成型后,應(yīng)立即下放兩堵一注封孔囊袋及注漿管路,封孔時間應(yīng)在深孔注漿前兩天進行,若過早進行封孔,在工作面采動影響下,凝固后的封孔材料容易破碎,導(dǎo)致封孔失效。

4 結(jié)論

(1)煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料黏度低,固化時間在40～1800 s內(nèi)可調(diào),在注漿泵的高壓作用下,材料在破碎煤巖體內(nèi)的滲透性好,能夠充填復(fù)合頂板內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu),改變復(fù)合頂板的受力狀態(tài)。施工后注漿區(qū)域內(nèi)的復(fù)合頂板能保持基本完整,回采過程中不易出現(xiàn)破碎、垮落等現(xiàn)象。

(2)注漿加固技術(shù)結(jié)合煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料進行注漿后,己16-17-24050工作面中復(fù)合頂板跨落的情況得到了有效控制,煤巖體的承載能力顯著提高。通過對已注漿區(qū)域和未注漿區(qū)域內(nèi)的頂板觀察對比,發(fā)現(xiàn)注漿區(qū)域內(nèi)的頂板情況明顯優(yōu)于未注漿區(qū)域。

(3)針對復(fù)合頂板的不同地理位置分別設(shè)計了深孔注漿工藝以及深孔和淺孔注漿相結(jié)合的工藝,并采用兩堵一注封孔工藝對注漿鉆孔進行封堵,能夠有效改善煤巖體的承載能力,解決復(fù)合頂板片幫、冒頂?shù)葐栴},保障己16-17-24050工作面回采的安全性。