新型注漿加固材料在突出煤層中應用

摘 要：本文介紹了在揭露和穿越松軟、低透、地質復雜煤層過程中，通過利用新型化學材料--馬利散對煤層進行加固，增強了松軟煤層的物理強度，減少了地應力變化對巷道的影響，防止了突出事故的發生。

關鍵詞：煤與瓦斯突出 復雜地質 馬利散

概 況

糯東煤礦位于貴州普安縣境內，是貴州興安煤業有限公司建設的第一個大型煤礦，設計生產能力240萬噸。礦井自2006年6月開工建設，計劃2009年投入生產。礦井原設計首采煤層為17號煤層，該煤層平均厚度4m，在實際揭露和勘探過程中發現，17號煤層瓦斯含量高、壓力大、煤層松軟且透氣性差，煤層具有較強的突出危險性。經過專家論證，礦井設計將首采17號煤層調整為首采20號煤層，利用20號煤層為17號煤層進行區域性解突，實現解放層開采。

礦井設計有五條井筒，其中主副平硐布置在17煤層以下的20煤層層位，直接揭露20號煤層，三條斜井（一進兩回，井筒傾角20～230）分別揭露并穿越17號煤層，煤層傾角5～70°。在斜井穿越17號煤層過程中，由于井筒處于地質構造復雜區域和受到17號煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大和松軟透氣性差等因素的影響，整個揭、穿17號煤層防突工作進展困難。

問題的提出

在三條斜井揭、過17號煤層過程中，揭煤位置處于地質復雜區域，由于煤層受逆斷層的影響，煤層由正常的4m左右變為2、11、5m厚并分為三個分層，分層之間為2～5m厚具有膨脹性質的泥巖。經取樣化驗和實測，煤層硬度f＝0.14～0.17、瓦斯放散初速度20～26、煤層瓦斯壓力1.1～3.5MPa、煤層瓦斯含量為19.5 ～30m3/min、煤層透氣性0.103～0.135m2/MPa2·d、鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.0541～0.0673d－1。由于煤層中瓦斯含量高、壓力大、松軟透氣性差、且鉆孔瓦斯流量衰減系數大，在防突措施鉆孔施工過程中噴孔嚴重，單孔噴出煤粉3～10噸，噴孔瓦斯絕對涌出量達到10m3/min。由于井筒在穿越煤層過程中瓦斯噴孔帶出大量煤粉，造成了井筒周邊地應力發生變化，給煤與瓦斯突出創造了條件。為解決這一問題，我們從增加煤體抵抗強度的角度采取了煤體加固措施，并取得了較好的效果。

加固材料選擇與施工

根據對利用注入水泥稀料加固和化學材料馬利散加固對比，由于17煤層松軟透氣性差，水泥稀料在煤層中滲透能力差，加固煤層的厚度達不到要求，且滲透不均勻，固化時間長。而利用化學材料馬利散進行加固，由于該材料由化學樹脂和膨脹材料組成，混合液體在煤層中的滲透強度較大，滲透半徑2～3m，其加固厚度大于2米，且比較均勻、固化時間短。

注漿加固原理及材料性能指標

注漿加固原理：大家知道，煤與瓦斯突出的一個主要指標是由于煤層松軟、硬度小，煤體抵抗不住地應力的破壞和瓦斯壓力的搬運。馬利散加固材料由等量的樹脂液體A與膨脹液體B組成，利用專用雙液泵將馬利散兩種化學液體等量壓注到井巷周邊煤體中，在雙液泵壓力作用下充分混合并滲透到煤體的深部，生成對煤巖體具有較高粘結性的有機彈性體，人為地改善了松軟破碎煤巖體的物理力學性能，有機彈性體在破碎煤巖體內膨脹、滲透、充滿整個裂隙面形成網絡骨架，起到補強加固、充填密實作用。使井筒周邊形成一個厚度2～3米的人造外殼，增強了井筒周邊煤體的強度。同時在雙液泵的高壓作用下使煤體漲開，使微小的節理發育層面加大，漿液充入后充填到這些裂隙中，降低煤層瓦斯含量。由于井巷周邊一定范圍內煤體的加固，形成了深部高壓瓦斯與井筒之間的一層高強度安全隔離屏障，在減少因地應力變化對井筒周邊煤體的破壞的情況下，使松散煤巖體粘結為一體，不易片幫、冒落，有利于及時、安全、有效支護作業。

材料性能指標：馬利散化學漿是一種高分子聚合物。具有較好的滲透性和膨脹性能，與煤巖體均有較高的粘合力，在專用雙液泵的壓力作用下可滲透到微裂隙之中，混合后反應膨脹凝固，形成致密的網絡骨架體，對工作面周邊煤體起到有效的固化作用，其主要技術性能指標為：①固化時間：7～15s。②抗壓強度：1～10MPa。③固結體密度：35～110kg／m。④雙液混合比1：1。⑤阻燃無毒。

加固方案設計及參數：加固方案。由于該材料在現有市場價格較高，全面推廣使用由于經濟效益等原因還無法實現，在三條斜井揭、穿17煤層過程中，主要用于在頂板破碎、鉆孔噴孔嚴重和過煤門等特殊時期。

具體方法：首先在工作面按終孔間距2～3米布置防突措施孔進行瓦斯抽放，瓦斯抽放煤層卸壓后，在迎頭周邊每2米設置一個注漿孔，鉆孔采用一次性自攻鉆桿，鉆孔與巷道夾角220，孔深8～10m，巷道兩側控制幫距3m(法距)，先利用馬利散材料封孔3～5m，加固長度每循環5m，直至穿越煤層。

加固設備及其性能參數：采用2.2KW防突鉆機，并配備相應長度的一次性自攻麻花鉆桿和相應數量的直徑42mm鉆頭，鉆桿作為注漿管使用。采用專用雙液泵和注漿設備配套的25mm進風高壓管20m。l0mm出漿管10m～2m 各若干根。雙液泵主要性能參數為：①壓力比：50：1。②最大排漿量：10～20L／min。③供氣壓力：0.3～0.5MPa。④重量：60kg。

注漿孔布置：根據17煤層和圍巖體的具體特點和加固施工工藝，為防止在抽放孔內聚積瓦斯，首先沖填所有瓦斯抽放孔，設計采用預先超前加固8～10m向前推進5m方案。設計單排注漿孔，每孔深8～10m，鉆孔與巷道夾角220， 注漿管利用自攻麻花鉆桿每條長2m，封孔段長2m，每個注漿循環工作面周邊每2m布置1個注漿孔，共布置8個，從工作面斷面周邊開孔，根據現場注漿量及跑漏漿情況，孔間距為2m，對注漿管密度、深度和角度隨時進行調整。

施工工藝：在迎頭進行鉆孔標注→利用防突鉆機和自攻鉆桿施工注漿鉆孔→安裝注漿管及封孔部件→封孔→準備漿液開泵注漿→觀察注漿效果→驗收。

效 果

在斜井揭、穿17號煤層過程中，曾分三個區段進行注漿加固，其中一號回風井在將要穿過煤層過煤門時對頂部煤層進行了加固，加固長度15m，使用馬利散加固材料3噸，安全進尺20m順利穿過煤層。在施工過程中，沒有發生冒頂、片幫、瓦斯超限等事故，掘進速度由原來的每旬5m增加到15m。

但值得注意的是，一是在采取煤層加固措施前，應首先對煤層進行解突，防止注漿壓力與地應力和瓦斯壓力疊加誘導突出。二是在進行注漿加固時，應每施工一個鉆孔注漿一個鉆孔，防止注漿時漿液進入臨近鉆孔。三是此項措施為加強防突措施，在實施該措施過程中其他“四位一體”防突措施應正常進行。

（作者單位:貴州興安煤業公司）

作者簡介：薄其山，工程師，現任貴州興安煤業公司副總經理、總工程師。曾在多家刊物上發表論文數十篇。