覆巖離層注漿充填加固技術(shù)研究與實(shí)踐

王金紅

(中煤華晉集團(tuán) 韓咀煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000)

隨著我國(guó)煤炭資源開發(fā)戰(zhàn)略西移和綠色開采的現(xiàn)實(shí)要求[1-3]，煤炭開采進(jìn)入新的發(fā)展階段，西部地區(qū)大規(guī)模高強(qiáng)度開采產(chǎn)生的煤矸石綜合利用引發(fā)廣泛關(guān)注[4-6]，煤矸石地表堆積處理占用大量土地，且污染嚴(yán)重；用于發(fā)電、鋪路、生產(chǎn) 建材、化工原料、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品等也存在二次污染或處理量小等問(wèn)題[7-9]。近年來(lái)我國(guó)環(huán)保政策要求逐漸趨嚴(yán)，部分礦區(qū)開始探索充填采煤技術(shù)并取得了一定成效[10-14]。離層注漿技術(shù)是指在掌握采空區(qū)上覆巖層離層發(fā)育基礎(chǔ)上，在井下制備粉煤灰漿液，通過(guò)頂、幫鉆孔將漿液填充離層區(qū)抑制巖層沉降，達(dá)到減少巷道變形量的目的。該技術(shù)可布置在常規(guī)掘進(jìn)工作面中，不影響原有生產(chǎn)工藝、操作簡(jiǎn)單、充填成本低，20世紀(jì)80年代撫順礦務(wù)局和遼寧工程技術(shù)大學(xué)采用該技術(shù)減緩地表沉陷，并在理論方面取得一定效果，此后在開灤、新汶、兗州、豐城等多個(gè)礦區(qū)實(shí)踐取得成功，但該技術(shù)對(duì)于新型注漿材料的開發(fā)、新工藝使用以及合理注漿參數(shù)、注漿位置等都有待進(jìn)完善[15-17]。

中煤華晉集團(tuán)韓咀煤業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)量為120萬(wàn)t/a，受小窯破壞影響及留設(shè)8 m小煤柱沿空掘巷影響，頂板條件較差，掘進(jìn)工作面礦壓顯現(xiàn)較明顯，巷修礦務(wù)工程量大、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，亟需探索一種新型頂板控制技術(shù)。筆者在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外煤矸石利用現(xiàn)狀和充填開采技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了煤矸石覆巖離層注漿充填新技術(shù)，詳細(xì)介紹了該注漿方法技術(shù)原理、材料特性、充填系統(tǒng)構(gòu)成及適用性評(píng)價(jià)，最終進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，為類似條件下煤炭開采及矸石處置提供理論依據(jù)。

1 煤矸石覆巖隔離注漿充填加固技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

煤矸石覆巖離層注漿是部分充填加固技術(shù)的一種，其原理是在井下將煤矸石、粉煤灰和水混合形成均勻漿體，通過(guò)頂、幫鉆孔在頂板離層區(qū)域高壓注入煤矸石漿液充填，注漿區(qū)域包括橫向離層區(qū)域和豎向破斷區(qū)域，形成一定范圍的充填壓實(shí)區(qū)維護(hù)關(guān)鍵層穩(wěn)定，限制巷道頂板下沉，達(dá)到處理矸石和減少巷道變形量及巷修礦務(wù)工程的雙重目的。

1.2 技術(shù)關(guān)鍵

在“煤矸石覆巖離層注漿充填技術(shù)”應(yīng)用中，為防止離層區(qū)域內(nèi)漿液材料流失進(jìn)入工作面造成井下排水量增加，需對(duì)巷道頂幫進(jìn)行噴漿形成隔水層，漿液注射范圍需控制在頂板離層某層位，以及確定合理的注漿材料和注漿參數(shù)。注漿材料在保證料漿流動(dòng)性能條件下，應(yīng)盡可能增加矸石含量；注漿參數(shù)包括關(guān)鍵層和注漿層的層位確定、注漿時(shí)機(jī)、注漿壓力等。

1) 注漿充填層位：目前2號(hào)煤平均埋深270 m，煤層平均厚度5.95 m，為了確定注漿充填層位，根據(jù)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院編制的《“三帶”發(fā)育規(guī)律研究報(bào)告》，6 m煤層裂隙帶高度公式為：

(1)

式中：m為累計(jì)采厚,m.

根據(jù)式(1)計(jì)算出煤層裂隙帶高度為7.8 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔地質(zhì)資料、聲波測(cè)井、井下鉆孔窺視等手段初步確定主注漿層位為頂板往上3 m的裂隙區(qū)，二次補(bǔ)償注漿層位為頂板往上7 m的離層區(qū)。

2) 注漿充填時(shí)機(jī)：離層注漿時(shí)機(jī)需要根據(jù)覆巖離層區(qū)發(fā)育規(guī)律及目標(biāo)關(guān)鍵層的穩(wěn)定控制要求進(jìn)行選擇，即在滿足目標(biāo)關(guān)鍵層不發(fā)生破斷情況下，達(dá)到最高的注漿充填量，初次充填時(shí)機(jī)為目標(biāo)關(guān)鍵層下方離層時(shí)開始注漿，即注漿孔位于工作面超前支承壓力峰值區(qū)域時(shí)實(shí)施注漿，工作面開采前提前打好注漿孔，在孔中注入高壓水，當(dāng)鉆孔中水體漏失量突然增大時(shí)，進(jìn)行初次注漿，其計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

根據(jù)該礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況得m=5，f=0.4，γ=2.5 t/m3，K=2，H=270 m，φ=28°.經(jīng)計(jì)算32105工作面支承壓力峰值位置位于工作面煤壁前方14.2 m.

3) 注漿充填壓力：鉆孔注漿壓力應(yīng)不小于充填層位以上巖層自然地壓，保證離層區(qū)域穩(wěn)定性并促進(jìn)離層區(qū)發(fā)育。在實(shí)際施工過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)充填鉆孔上口注漿壓力來(lái)控制注漿區(qū)穩(wěn)定性，考慮到鉆孔高度差，孔口注漿壓力如式(3)所示；注漿泵壓力需另外考慮到料漿在管道輸送過(guò)程中的沿程和局部阻力損失，注漿泵壓力如式(4)所示。

P泵=P孔+hf

(3)

P孔=H(γ-γ1)

(4)

5) 注漿鉆孔布置：注漿鉆孔位置及數(shù)目與漿體擴(kuò)散半徑，工作面尺寸等因素相關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)較好的充填效果，應(yīng)綜合考慮到施工成本、技術(shù)難度。在沿走向方向布置在工作面中部布置，每組可布置多個(gè)鉆孔，保證對(duì)關(guān)鍵層下最大離層處進(jìn)行及時(shí)充填，鉆孔深度需要打到離層發(fā)育的關(guān)鍵層下。沿走向相鄰兩鉆孔間距應(yīng)不大于漿液的擴(kuò)撒半徑的2倍，其計(jì)算如式(5)所示。

W≤2KjPK

(5)

圖1 注漿孔布置示意(mm)

2 注漿材料與充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 注漿材料配比試驗(yàn)

合理的漿液配比是保證煤矸石注漿效果的前提，本節(jié)進(jìn)行充填材料配比試驗(yàn)，為研究料漿濃度、煤矸石和粉煤灰比例對(duì)注漿材料流動(dòng)和泌水性能的影響，設(shè)置不同水灰比、矸石粉煤灰比開展參照對(duì)比試驗(yàn)。本次試驗(yàn)所用矸石及粉煤灰如圖2所示，矸石來(lái)自于該礦排矸場(chǎng)；粉煤灰顏色為灰黑色，為低鈣粉煤灰，所用水為礦井廢水。采用篩分法和激光粒度分析法對(duì)試驗(yàn)所用煤矸石及粉煤灰粒徑分布進(jìn)行測(cè)試，如圖2所示，經(jīng)過(guò)破碎后最大粒徑不超過(guò)10 mm，其中0～5 mm占68%，5～8 mm占27%，8～10 mm占5%，級(jí)配良好；粉煤灰粒徑分布范圍為1～100 μm，最大粒徑不超過(guò)100 μm.

圖2 試驗(yàn)所用矸石及粉煤灰

試驗(yàn)前準(zhǔn)備過(guò)程包括配料、稱重、攪拌等步驟，料漿攪拌均勻后，采用塌落度筒和泌水率筒測(cè)試料漿塌落度和泌水率，試驗(yàn)分為2組，其中第一組固定矸石/粉煤灰=6∶1，改變料漿濃度分別40%、44%、48%、52%、56%、60%、64%；第二組固定料漿濃度為55%，改變矸石/粉煤灰比例分別為 6∶1、5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶0，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 矸石及粉煤灰粒徑分布

圖4(a)為不同質(zhì)量濃度條件下注漿材料的塌落度和泌水率，由圖可知，在不同質(zhì)量濃度下，注漿材料的的坍落度不低于250 mm，各配比下料漿的流動(dòng)性能良好，隨著注漿材料的濃度逐漸增加，塌落度不斷減小，當(dāng)料漿濃度從40%增加至60%時(shí)，料漿塌落度從275 mm降低至254 mm，注漿材料濃度增加降低了料漿的和易性，因此在注漿過(guò)程中需控制料漿的濃度，保證料漿的流動(dòng)性防止堵管。隨著濃度增加，料漿的泌水率不斷減小，當(dāng)料漿濃度從40%增加60%時(shí)，料漿泌水率從20%降低至9%，說(shuō)明料漿濃度越高，固水性能越好。圖4(b)為質(zhì)量濃度為 50%時(shí)，不同矸石/粉煤灰質(zhì)量比下注漿材料的塌落度和泌水率，由圖可知，隨著矸石/粉煤灰比率逐漸增加，注漿材料的塌落度減小、泌水率增加，粉煤灰中的細(xì)顆粒含量減小，在料漿中起到潤(rùn)滑作用，料漿塌落度減小，但固水能力減小，導(dǎo)致泌水率增加。

圖4 注漿材料塌落度及泌水率

2.2 覆巖離層注漿充填系統(tǒng)

在開展注漿材料性能研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了煤矸石覆巖離層注漿充填系統(tǒng)，主要分為制漿系統(tǒng)、輸漿系統(tǒng)及注漿系統(tǒng)3大部分。注漿系統(tǒng)的工藝流程包括運(yùn)輸、破碎、磨細(xì)、攪拌、注漿、充填等步驟，矸石經(jīng)過(guò)破碎后最大粒徑不超過(guò)10 mm；制漿系統(tǒng)將破碎后矸石、粉煤灰、水經(jīng)過(guò)分級(jí)攪拌后，混合成均勻料漿通過(guò)管道輸送。根據(jù)該礦實(shí)際情況，該系統(tǒng)年矸石輸送量200萬(wàn)t，漿液濃度60%；共設(shè)置2個(gè)輸漿孔，孔內(nèi)徑為50 mm，輸送主泵型號(hào)2ZBQ120/1，管道輸送最大壓力2 MPa.

3 工業(yè)性應(yīng)用

3.1 工程應(yīng)用情況

注漿地點(diǎn)選擇32105工作面輔運(yùn)巷，該巷道掘?qū)挕辆蚋?4 700 mm/5 900 mm×3 300 mm，巷道埋深為270 m，確定主注漿層位為267 m，注漿壓力2 MPa；二次補(bǔ)償注漿層位為263 m；注漿壓力3～5 MPa.注漿充填區(qū)域鉆孔沿工作面走向布置，鉆孔布置于工作面中部，孔深為3 500 mm，排距為1 200 mm，孔徑50 mm，每排8個(gè)注漿孔。其中每排頂板4個(gè)、左幫及右?guī)透?個(gè)。頂板注漿孔間距1 300 mm，均勻布置；兩幫孔分別距頂板1 200 mm、2 500 mm.

3.2 效果評(píng)價(jià)

1) 充填效果分析：為了評(píng)價(jià)充填開采效果，在工作面對(duì)于地表設(shè)置剖面線普通地表移動(dòng)觀測(cè)站，走向觀測(cè)線和傾向觀測(cè)線相互垂直，走向觀測(cè)線長(zhǎng)度450 m，觀測(cè)點(diǎn)16個(gè)，點(diǎn)間距30 m；傾向監(jiān)測(cè)線長(zhǎng)度240 m，觀測(cè)點(diǎn)9個(gè)，點(diǎn)間距30 m.監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示，注漿充填后，走向線實(shí)測(cè)最大沉降值在第16個(gè)測(cè)點(diǎn)，最大下沉量為231 mm，傾向線實(shí)測(cè)最大值在第9個(gè)測(cè)點(diǎn)，最大下沉量為214 mm，減沉率為67%.

圖5 工作面地表沉降監(jiān)測(cè)示意

2) 經(jīng)濟(jì)效益分析：32105工作面覆巖離層注漿技術(shù)進(jìn)入正式運(yùn)行實(shí)施三個(gè)月內(nèi)，工作面對(duì)應(yīng)對(duì)表實(shí)測(cè)最大下沉量?jī)H為231 mm，頂板控制較好，平均每年節(jié)約巷修費(fèi)用約200萬(wàn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，中煤華晉集團(tuán)韓咀煤業(yè)2號(hào)煤層主關(guān)鍵層為K8中粒砂巖，主注漿層位為K8中粒砂巖關(guān)鍵層下離層，注漿鉆孔超前工作面14.2 m，注漿壓力為2 MPa.

2) 注漿材料配比試驗(yàn)結(jié)果顯示，料漿濃度增加后塌落度和泌水率均減小，流動(dòng)性減弱，各組配比下料漿塌落度均大于250 mm；隨著矸石/粉煤灰不斷增加，料漿塌落度逐漸漸加，泌水率減小，粉煤灰顆粒能夠起到潤(rùn)滑作用，增強(qiáng)料漿流動(dòng)和固水性能。

3) 工程應(yīng)用表明該技術(shù)應(yīng)用效果良好，工作面對(duì)應(yīng)對(duì)表實(shí)測(cè)最大下沉量?jī)H為231 mm，頂板控制較好，平均每年節(jié)約巷修費(fèi)用約200萬(wàn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。