大采高工作面末采注漿加固技術(shù)應(yīng)用

李學(xué)才

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000)

大采高工作面的末采工作是礦井安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一。趙莊煤業(yè)5301工作面末采到最后10 m時(shí)，工作面中部發(fā)生片幫、冒頂，破碎矸石壓架，并迅速擴(kuò)大至整個(gè)工作面，大塊矸石填滿整個(gè)回采空間，最終處理耗時(shí)20天，消耗化學(xué)漿80 t，造成嚴(yán)重?fù)p失。以往對(duì)大采高工作面末采注漿重視程度不夠，對(duì)煤柱破壞規(guī)律、注漿材料、注漿時(shí)機(jī)、注漿工藝研究較少。5303工作面與5301工作面相鄰，地質(zhì)條件類似，為防止5303工作面末采時(shí)出現(xiàn)類似情況，對(duì)5303工作面進(jìn)行末采注漿加固，以防止工作面片幫、冒頂，保障順利撤架。

1 工程概況

5303大采高綜采工作面位于趙莊礦東五盤區(qū)，工作面開采3#煤層，煤層平均厚度5.9 m，一次采全高，煤層底板標(biāo)高+275～+326 m，地面標(biāo)高+560～+699 m，工作面傾斜長度為221 m，走向長度為1 334 m. 布置53031、53032、53033三條順槽，53031、53032為進(jìn)風(fēng)巷，53032為回風(fēng)巷，在停采線提前掘出撤架通道。工作面與巷道位置關(guān)系見圖1. 工作面正常平均推進(jìn)速度8 m/d.

圖1 5303工作面與巷道位置關(guān)系圖

2 末采深孔注漿加固機(jī)理分析

2.1 大采高工作面末采片幫機(jī)理分析

煤壁片幫是煤體在礦山壓力作用下，煤體破碎后滑塌下來的一種礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。由于大采高工作面采高大、礦壓顯現(xiàn)劇烈，煤壁自穩(wěn)性較差。末采階段隨著回采進(jìn)行，臨近撤架通道，煤柱變薄，應(yīng)力集中程度增高，煤壁大多已處于破碎狀態(tài)，其承載能力已經(jīng)很小甚至已經(jīng)沒有承載能力。由于所處位置以及生產(chǎn)工藝的限制，難以給煤壁施加圍壓，即無法使其處于三向受壓狀態(tài)，在煤壁附近的煤體處于二向應(yīng)力狀態(tài)甚至單向應(yīng)力狀態(tài)，其支撐能力大幅降低，煤體上的支承壓力通常超過煤體極限強(qiáng)度，由于支承壓力的增加或煤體強(qiáng)度的降低均會(huì)導(dǎo)致該區(qū)煤壁外鼓量的增加，從而導(dǎo)致煤壁片幫[1-2].

2.2 5303大采高工作面超前支承壓力分布規(guī)律

采用現(xiàn)場實(shí)測方式確定超前支承壓力。在53031巷和53033巷內(nèi)，超前工作面100 m位置各布置兩根單體柱，安裝YHY60數(shù)顯式礦用本安型數(shù)字壓力計(jì)，配套手持式采集器定期采集。隨著工作面推進(jìn)，數(shù)字壓力計(jì)會(huì)自動(dòng)記錄工作面前方0～100 m頂板壓力數(shù)據(jù)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1，繪制超前支承壓力分布曲線，見圖2.

由表1可以看出，工作面超前支承壓力影響范圍為工作面前方0～65 m，0～4 m為應(yīng)力降低區(qū)，4～65 m為應(yīng)力升高區(qū)，65 m以外為原巖應(yīng)力區(qū)。

表1 頂板壓力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表(部分)

圖2 5303工作面超前支承壓力分布曲線圖

2.3 裂隙發(fā)育及合理注漿區(qū)域分析

根據(jù)5303工作面超前支承壓力分布規(guī)律可知，工作面前方65 m以外原巖應(yīng)力區(qū)裂隙不發(fā)育，注漿量小、注漿壓力大，不適宜注漿；工作面前方0～20 m煤體較為破碎，裂隙十分發(fā)育，且裂隙導(dǎo)通工作面煤壁，容易發(fā)生煤壁漏漿，也不適宜作為注漿區(qū)域；工作面前方20～65 m較適合作為注漿區(qū)域，而裂隙主要發(fā)育在進(jìn)入工作面前方50 m以內(nèi)，因此，進(jìn)一步確定合理注漿區(qū)域?yàn)楣ぷ髅媲胺?0～50 m.

3 注漿加固方案設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔布置原則

1) 注漿區(qū)域。依據(jù)超前支承壓力分布規(guī)律以及以往的末采片幫、冒頂觀測經(jīng)驗(yàn)，確定加固范圍為最后階段30 m煤柱，在撤架通道內(nèi)向工作面方向施工鉆孔，進(jìn)行覆蓋式布置。

2) 鉆孔層位?；A(chǔ)布置為上下兩排，上排孔加固煤壁與頂板交界位置，帶一定仰角，終孔位置在頂板上方1～2 m，下排孔加固煤壁中上部，終孔位置在頂板下方1.5 m.

3) 鉆孔間排距。現(xiàn)場打孔注漿，測試擴(kuò)散半徑，不少于3個(gè)測試孔，依據(jù)測試結(jié)果確定鉆孔間排距，保障漿液充分?jǐn)U散，現(xiàn)場測試漿液有效擴(kuò)散半徑約3 m.

4) 提前打孔、封孔。為防止施工緊張，提前布置所有鉆孔，并進(jìn)行封孔，當(dāng)工作面距離撤架通道剩余50 m時(shí)，鉆孔進(jìn)入合理注漿區(qū)域，工作面暫時(shí)停采，給出2～3 d注漿時(shí)間，注漿完畢后工作面繼續(xù)向前回采。

3.2 鉆孔布置方式

鉆孔可以選擇在兩巷布置，或在撤架通道內(nèi)布置，也可以配合布置。經(jīng)綜合比較，認(rèn)為在撤架通道內(nèi)施工鉆孔，鉆孔深度較短，鉆孔軌跡不容易發(fā)生偏離，且撤架通道空間充足、無障礙物，便于鉆機(jī)和注漿設(shè)備施工，而兩巷有皮帶、設(shè)備列車，因此選定在撤架通道內(nèi)實(shí)施30 m鉆孔，對(duì)末采階段最后30 m煤體進(jìn)行覆蓋式布置，從撤架通道內(nèi)施工鉆孔，見圖3.

圖3 鉆孔布置俯視圖

鉆孔參數(shù)。撤架通道高度5 m，下排孔和上排孔“三花”布置，間距均為4 m，下排鉆孔開孔高度距離頂板1.5 m，仰角0°，孔深30 m，上排孔開孔高度距離頂板0.8 m，仰角5°，孔深30 m，孔徑均為75 mm，見圖4.

圖4 深孔鉆孔布置示意圖

3.3 超細(xì)水泥深孔注漿材料

采用超細(xì)水泥深孔注漿，使用水灰比0.6∶1，其主要性能如下：

1) 超細(xì)，懸浮、滲透性好。細(xì)度超過1 200目，是普通水泥的4倍以上，一方面使?jié){液更加均勻，懸浮性好，不會(huì)出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象，可以進(jìn)入微小裂隙，擴(kuò)散滲透性能好，另一方面提高了水泥活性，大幅提高凝結(jié)和強(qiáng)度增長速度[3].

2) 強(qiáng)度增長快，減少停采時(shí)間。由于現(xiàn)場需要工作面距離撤架通道50 m停采進(jìn)行注漿作業(yè)，注漿一般耗時(shí)2～3 d，然后進(jìn)行回采，工作面正常推進(jìn)速度10 m/d，通過20 m隔離防漏漿煤柱僅需2 d，即距離工作面最近的注漿區(qū)域僅有2～3 d的材料強(qiáng)度增長時(shí)間。材料經(jīng)過超細(xì)化后，1 d可以達(dá)到16 MPa以上，3 d可以達(dá)到26 MPa以上，滿足了工作面快速推進(jìn)的要求。

3.4 注漿設(shè)備工藝

該次末采注漿選用的注漿泵為ZBYSB100/20-18.5型液壓注漿泵，該泵適合高壓力、大排量注漿封堵工程，適用于深孔注漿工程；采用QB260氣動(dòng)攪拌桶、盛漿桶。末采注漿提倡高壓注漿，輔助漿液更好擴(kuò)散，一般注漿終止壓力不低于12 MPa.

4 工程量及效果考察效果

4.1 工程量

共實(shí)施111個(gè)30 m鉆孔，鉆孔工程量3 330 m，累計(jì)注漿量177.6 t，平均單孔注漿量1.6 t，最大單孔注漿量5 t，平均注漿壓力15 MPa.

4.2 效果考察

工作面推過末采注漿區(qū)域，可見大量漿液擴(kuò)散痕跡，煤壁平直，頂板良好，未發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象，安全通過末采區(qū)域順利撤架，未使用化學(xué)漿，通過最后20 m僅用3天，見圖5a)，而5301工作面末采時(shí)情況見圖5b).

圖5 工作面末采實(shí)景對(duì)比圖

5 結(jié) 論

1) 現(xiàn)場實(shí)測確定超前支承壓力影響范圍為0～65 m，通過裂隙發(fā)育程度和可注性分析，認(rèn)為合理注漿區(qū)域在工作面前方20～50 m.

2) 制定撤架通道深孔注漿方案，確定提前打孔、合理注漿區(qū)域的注漿方式，鉆孔布置層位控制煤壁中上部和頂板。

3) 超細(xì)水泥深孔注漿材料具備超細(xì)、強(qiáng)度快速增長特性，滿足漿液充分?jǐn)U散和工作面快速推進(jìn)需求。

4) 效果考察表明，共消耗177.6 t注漿材料，平均單孔注漿量1.6 t，5303工作面僅耗時(shí)3 d，安全快速通過末采20 m區(qū)域，未發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象。