平煤十一礦己16- 17-24050工作面復(fù)合頂板注漿加固技術(shù)研究

李永偉,雷東記

(1.中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,河南 焦作市 454000)

0 引言

煤礦開采中,采動(dòng)會(huì)對(duì)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(dòng)態(tài)變化的過(guò)程[1-3]。近年來(lái),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(duì)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(diǎn)與難點(diǎn)[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(guò)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(hù)滯后的時(shí)間,進(jìn)而引起冒頂,嚴(yán)重影響工作面的安全回采和推進(jìn)速度[9-11]。另外,對(duì)于復(fù)合頂板,掘進(jìn)和回采過(guò)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(shí)常發(fā)生,不僅嚴(yán)重影響工作面的安全高效生產(chǎn),同時(shí)也給工作面帶來(lái)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(hù)技術(shù)。但僅依靠錨網(wǎng)、錨桿和錨索等支護(hù)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?wèn)題[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(guò)注漿加固工作面圍巖是防止工作面煤壁片幫及維護(hù)回采巷道的一種重要途徑。

1 工作面概況

本試驗(yàn)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(zhǎng)200 m,走向長(zhǎng)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(jiǎn)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(shí)易出現(xiàn)脫層冒落;直接頂為5.30～9.00 m的中、細(xì)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(jì),共有8條斷層對(duì)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(wèn)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(jiǎn)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(dòng)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(zhǎng)度為45 m,前端4 m為6分鐵管加工的花管。

注漿過(guò)程主要分為鉆孔、封孔及安裝注漿管路、注漿三個(gè)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(chǎng)清理。

3.2 注漿技術(shù)參數(shù)

3.2.1 材料固化時(shí)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(shí)間短,通常在40～60 s之間,容易出現(xiàn)材料未擴(kuò)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(guò)程,高分子加固材料能夠在鉆孔內(nèi)有效擴(kuò)散,材料重復(fù)混合后固化時(shí)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(kuò)散時(shí)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(dòng)影響相對(duì)較小,鉆孔周邊圍巖保持相對(duì)的完整性,若壓力過(guò)小則難以達(dá)到漿液擴(kuò)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(jìn)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(duì)工作面泄水巷上口以里風(fēng)巷內(nèi)、泄水巷設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)程,注漿鉆孔從工作面兩巷進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dá)到加固復(fù)合頂?shù)哪康摹Ｐ顾镆岳镲L(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(yuǎn),圍巖裂隙較少,深孔注漿施工無(wú)法進(jìn)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(duì)較厚,泄水巷受采動(dòng)影響,后期變形量較大,極大影響工作面的正?；夭?。為保證工作面的安全生產(chǎn),現(xiàn)場(chǎng)采用深孔注漿和淺孔注漿相結(jié)合的方式對(duì)泄水巷兩幫進(jìn)行注漿加固。其中深孔注漿孔15個(gè),淺孔注漿孔46個(gè)。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(guò)觀察,未在采面發(fā)現(xiàn)復(fù)合頂板深孔注漿滲透痕跡,說(shuō)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(diǎn)觀測(cè)了與之相對(duì)應(yīng)的103架、90架、69架附近區(qū)域。通過(guò)對(duì)采面持續(xù)觀測(cè),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(guò)在己16-17-24050機(jī)、風(fēng)兩巷布置14個(gè)注漿孔,通過(guò)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(zhǎng)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(duì)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(jī)、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(jì)布置深孔注漿鉆孔35個(gè),共計(jì)注漿32 t。通過(guò)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(guò)泄水巷提供了有力保障。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注漿分析,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)高分子加固材料凝固時(shí)間為40～1800 s,能夠滿足復(fù)合頂板深孔注漿材料的擴(kuò)散要求。高分子加固材料能夠?qū)⑵扑槊簬r體粘接成一個(gè)整體,在注漿泵高壓作用下,能夠?qū)γ簬r體裂隙進(jìn)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(guò)對(duì)已注漿區(qū)域和未注漿區(qū)域內(nèi)的頂板觀察對(duì)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(kuò)散痕跡,說(shuō)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(jìn)行注漿施工時(shí)終孔位置應(yīng)處于工作面動(dòng)壓區(qū)范圍內(nèi)。如不在動(dòng)壓區(qū)范圍會(huì)出現(xiàn)圍巖裂隙不發(fā)育,漿液無(wú)法擴(kuò)散的情況,影響注漿加固效果。

(4)注漿過(guò)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(wú)法進(jìn)一步擴(kuò)散,因此需要對(duì)注漿影響區(qū)域的瓦斯抽放孔進(jìn)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(shí)間應(yīng)在深孔注漿前兩天進(jìn)行,若過(guò)早進(jìn)行封孔,在工作面采動(dòng)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(shí)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(guò)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(jìn)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(guò)對(duì)已注漿區(qū)域和未注漿區(qū)域內(nèi)的頂板觀察對(duì)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(duì)復(fù)合頂板的不同地理位置分別設(shè)計(jì)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(duì)注漿鉆孔進(jìn)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?wèn)題,保障己16-17-24050工作面回采的安全性。