注漿充填技術(shù)在處理小煤窯采空區(qū)冒矸中的應(yīng)用

劉慶順馮光明賈凱軍連小林

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008; 2.邯鄲礦業(yè)集團(tuán)云駕嶺煤礦,河北省邯鄲市,056300)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

注漿充填技術(shù)在處理小煤窯采空區(qū)冒矸中的應(yīng)用

劉慶順1,2馮光明1賈凱軍1連小林1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008; 2.邯鄲礦業(yè)集團(tuán)云駕嶺煤礦,河北省邯鄲市,056300)

針對云駕嶺礦12206工作面回采過程中因揭露小煤窯采空區(qū)而導(dǎo)致矸石頻繁冒落,影響工作面正常推進(jìn)的情況,運(yùn)用高水材料在工作面回風(fēng)巷對小煤窯采動(dòng)所破壞的區(qū)域進(jìn)行注漿充填。結(jié)果表明,破壞區(qū)域的松散矸石和煤體能有效地與充填固結(jié)體膠結(jié),具有一定的完整性。

小煤窯采空區(qū) 注漿充填 高水材料

AbstractThe advancing of working face has been affected due to the frequent falling of waste rock resulted by disclosing the gobs of small mines during the mining p rocess of working face No.12206 of Yunjialing M ine.In view of this status,w e have used high water material to grout and fill the area in the return roadway damaged by themining operation of the smallmine. A s a result,loose w aste rock and coal fo rmation in damaged area can cement w ith filled concretion body effectively and have a certain degree of integrity.

Key wordssmall co-mine gob area,grouting for backfilling,high water material

邯鄲礦業(yè)集團(tuán)云駕嶺煤礦12206工作面在回采巷道掘進(jìn)和工作面開采過程中,揭露了以前小煤窯開采形成的采空區(qū)。采空區(qū)頂板垮落后形成的下位矸石頻繁冒落,對工作面的正常推進(jìn)產(chǎn)生了嚴(yán)重的不利影響。

1 12206工作面基本情況

1.1 地質(zhì)概況

邯鄲礦業(yè)集團(tuán)云駕嶺煤礦12206工作面所在的2#煤層平均厚度4.5 m,煤層下部夾0.10～0.30 m厚的灰黑色粉砂巖夾矸。煤層傾角20～25°,平均為22°。直接頂厚度為4.50 m的灰黑色粉砂巖,泥質(zhì)膠結(jié);偽頂為厚度0～0.5 m的黑色炭質(zhì)泥巖或粉砂巖,巖相變化較大,質(zhì)軟性脆,易冒落;老頂為深灰色細(xì)粉巖,鈣質(zhì)膠結(jié),致密堅(jiān)硬,厚度8.0 m。

依據(jù)鄰近工作面開采揭露的水文地質(zhì)情況來看,工作面水文地質(zhì)條件簡單,僅斷層及裂隙發(fā)育地段出現(xiàn)滴淋水,水量小于2.0 m3/h。

1.2 工作面現(xiàn)狀

12206工作面在回采的過程中,揭露了以前小煤窯的采空區(qū)。小煤窯的開采方式是先掘進(jìn)巷道,然后再采用后退式回采巷道兩幫的煤炭,一般回采范圍為10 m寬,高度2 m。由于小煤窯采后仍留有2.5 m厚的底煤和大量的煤柱,小煤窯回采區(qū)的回收率只有30%左右,如果不進(jìn)行復(fù)采,大量的資源將白白浪費(fèi)掉。經(jīng)研究決定對其進(jìn)行回收。但小煤窯的回采造成頂板的破壞,在復(fù)采區(qū)回采中,頂板矸石大量冒落且塊度較大,直接影響到工作面的安全生產(chǎn)。為此,需要對工作面煤壁上方的頂板進(jìn)行支護(hù),并對冒落的大塊矸石進(jìn)行處理,嚴(yán)重影響了回采工作面的安全和回采效率的提高。

1.3 小煤窯采空區(qū)采動(dòng)破壞范圍

真實(shí)的小煤窯回采巷道分布位置難以準(zhǔn)確把握,但通過對工作面推進(jìn)過程中矸石冒落的情況、冒落帶的形狀、分布和隨后注漿過程中的觀察,推測小煤窯采空區(qū)是一串互相連通的巷道頂板垮落后形成的。對回采巷道掘進(jìn)及12206工作面回采過程中所出現(xiàn)的非正常矸石的冒落情況進(jìn)行分析,可以大致判斷出小煤窯采空區(qū)的位置如圖1所示。

圖1 12206面小煤窯巷道分布位置預(yù)測圖

2 治理方案

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研,發(fā)現(xiàn)12206工作面前方的矸石是由小煤窯回采巷道頂板垮落后形成的。雖然小煤窯回采巷道的分布位置難以確定,但是采空區(qū)分布面積較大,且頂板垮落區(qū)域互相有通道溝通,可以使用注漿充填這個(gè)技術(shù)手段來解決該問題。通過注入大量的可膠結(jié)性材料,使原來破碎的巖石重新膠結(jié)在一起,形成具有一定強(qiáng)度的人工假頂,從而解決推進(jìn)過程中遇到的頂板破碎易冒落的問題。

2.1 注漿材料的選擇

注漿加固材料有化學(xué)類與水泥類兩種?；瘜W(xué)類滲透性較好,但成本高、普遍有毒、污染環(huán)境,且強(qiáng)度偏低。水泥類有單液水泥漿、水泥與水玻璃雙液漿和高水速凝材料等。單液水泥漿水灰比低、易沉淀泌水、結(jié)石率低、可注性差、凝結(jié)時(shí)間長,且不易控制。水泥與水玻璃雙液漿結(jié)石率較高,但固結(jié)體受水影響后強(qiáng)度降低顯著。高水速凝材料具有水灰比高、凝結(jié)時(shí)間易調(diào)節(jié)、流動(dòng)滲透性好、100%結(jié)石、固結(jié)體不泌水微膨脹、顆粒細(xì)可注性好等優(yōu)點(diǎn)。此外,高水材料固結(jié)體具有“親水”性,即在水中浸泡后強(qiáng)度會略微升高,固結(jié)體破裂后具有再膠結(jié)性能?？梢?高水材料是一種性能優(yōu)良的新型注漿材料,完全能滿足小煤窯采空區(qū)注漿充填的要求。經(jīng)過綜合考慮,本次12206工作面小煤窯采空區(qū)注漿充填工程中選用由中國礦業(yè)大學(xué)研制的ZKD型高水速凝材料。在該注漿充填工程中,水灰比確定為4∶1～5∶1。實(shí)際操作中,水灰比可進(jìn)行調(diào)整,以滿足注漿充填對漿液流動(dòng)與凝結(jié)等性能的要求。

2.2 注漿參數(shù)的確定

(1)注漿時(shí)間。注漿時(shí)間長短與注入圍巖中的漿液量的多少、圍巖裂隙發(fā)育、漿液在裂隙中的流速等因素有關(guān),由于采空區(qū)注漿的特殊性,所以不能按照傳統(tǒng)的“飽注”作為判斷,而是要按照注入漿體能否使采空區(qū)下位碎石充分膠結(jié)作為依據(jù)。在實(shí)際注漿過程中,注漿時(shí)間難以定量,需要與注漿壓力、注漿量等參數(shù)配合分析決定。

(2)注漿壓力。采空區(qū)注漿的特殊性決定了注漿壓力不能過大。由于采空區(qū)矸石間的空隙較大,在注漿過程中產(chǎn)生的注漿壓力主要是由管路阻力所引起的,一般不會超過0.5 M Pa。實(shí)際操作中,也要適當(dāng)?shù)刈⒁庾{壓力,要與注漿量結(jié)合起來判斷是否停止注漿。

(3)注漿量。由于是對大面積的采空區(qū)進(jìn)行注漿充填,實(shí)際操作中的注漿總量會比較大,而且難以定量計(jì)算,對注漿量的控制只要使得注漿液面不要超過煤層頂板過高即可。實(shí)際操作中,應(yīng)根據(jù)相鄰注漿孔注漿量情況和跑漏漿情況來確定注漿孔的單孔注漿量。

(4)漿液擴(kuò)散半徑。漿液擴(kuò)散半徑與注漿孔布置、孔深、圍巖裂隙狀況、漿液性質(zhì)及注漿壓力等情況有關(guān)。對于12206工作面的注漿充填工程而言,由于漿液在采空區(qū)的流動(dòng)的規(guī)模較大,注漿效果與漿液的擴(kuò)散半徑關(guān)系不是很大。同時(shí)采空區(qū)中存在大量的裂隙使得漿液在采空區(qū)中的流動(dòng)近似于在開放空間的流動(dòng),很難確定具體漿液的擴(kuò)散半徑。據(jù)12206工作面目前采空區(qū)范圍內(nèi)的煤體破碎情況,初步確定漿液擴(kuò)散半徑為1～3 m。

(5)注漿孔布置。對注漿工程而言,注漿孔的布置是極為重要的。在工作面進(jìn)行注漿針對性和目的性強(qiáng),但不容易打孔且漿液不容易上行,易產(chǎn)生跑漏漿。在兩巷注漿,漿液下行,容易充分充填膠結(jié)下位矸石,一旦注漿孔溝通采空區(qū),將會有非常好的注漿效果。因此,綜合考慮選擇在回風(fēng)巷進(jìn)行注漿。注漿孔布置的平面圖和剖面圖如圖2和圖3所示。

圖2 注漿孔布置平面圖

注漿孔的間排距與漿液擴(kuò)散半徑有關(guān)。注漿孔的排距的確定條件是要保證相鄰注漿孔的擴(kuò)散半徑有一定的交叉。根據(jù)12206工作面注漿充填工程的情況和施工操作,確定淺部注漿孔的間排距為3 m,孔深按照鉆進(jìn)的情況而定。順煤層打鉆,鉆到采空區(qū)后,鉆機(jī)開始出現(xiàn)吸鉆、夾鉆等現(xiàn)象,無法繼續(xù)鉆進(jìn),這時(shí)開始注漿,直到無法進(jìn)漿為止。經(jīng)兩天的凝固后,再繼續(xù)在此位置向深部打鉆,鉆到?jīng)]有注到漿液的采空區(qū)為止,再次進(jìn)行注漿,以此類推,直到將該區(qū)域所有的采空區(qū)覆蓋為止。

圖3 注漿孔布置剖面圖

3 注漿實(shí)施情況

云駕嶺煤礦 12206工作面注漿充填工程于2008年5月開始實(shí)施,8月結(jié)束。注漿過程中,首先對兩巷和工作面煤壁進(jìn)行噴漿處理,隨后采用淺孔注漿與深孔注漿相結(jié)合的方式,沿著12206工作面回風(fēng)巷對煤壁進(jìn)行注漿。注漿后,工作面前方160 m,約4800 m2范圍內(nèi)的煤體得到了加固。工作面煤壁經(jīng)過預(yù)注漿后的效果如圖4所示。

圖4 工作面煤壁預(yù)注漿效果圖

4 注漿充填效果

(1)防止煤壁片幫效果顯著。注漿加固前,煤壁片幫、冒頂嚴(yán)重,達(dá)到2～3 m,注漿加固后,基本杜絕了煤壁片幫、冒頂現(xiàn)象。

(2)提高了開機(jī)效率,減小了停機(jī)清理片幫冒落煤巖體的時(shí)間,為工作面的順利推進(jìn)提供了條件,從而提高了生產(chǎn)效率。

(3)減小了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。由于片幫、冒頂現(xiàn)象的減少,從而減小了人工架設(shè)木垛接頂?shù)墓ぷ髁?減小了對片幫區(qū)域提前打設(shè)單體液壓支柱的工作量,提高了工人的勞動(dòng)效率。

(4)經(jīng)過煤壁注漿,提高了煤巖體的整體性和穩(wěn)定性,為工作面的安全生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

The application of filling technology by grouting in dealing with fallen waste rocks from gobs of smallm ines

Liu Qingshun1,2,Feng Guangming1,Jia Kaijun1,Lian Xiaolin1
(1.School of M ining Engineering,China University of M ining and Technology,Xuzhou 221008,China; 2.Yunjialing Coal M ine of Handan M ining Group,Handan 056300,China)

B

劉慶順 (1970-),男,河北省清苑縣人,中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程研究生,主要從事充填開采及沿空留巷等采礦工程方面的研究工作。