注漿加固技術(shù)在綜采工作面過斷層中的應用

孟 君

(西山煤電(集團)公司，山西 太原 030053)

利用有機高分子材料進行破碎煤巖加固是國外在20世紀70年代初期發(fā)展起來的一項新技術(shù)，幾十年來，這一技術(shù)在世界主要產(chǎn)煤國家得到迅速發(fā)展。我國在20世紀90年代初期開始研究煤巖體化學加固技術(shù)，并已經(jīng)取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

煤巖體化學注漿加固就是利用化學漿液來充填和固結(jié)圍巖(或煤層)的裂隙面，提高圍巖整體性，充分發(fā)揮煤巖體自身承載能力，保持圍巖穩(wěn)定。目前，對破碎煤巖體的注漿加固按材料分為無機和有機兩大類。

無機材料主要以水泥—水玻璃為主，添加各種外加劑(甚至有機添加劑)，是一種水溶顆粒型漿液，結(jié)石率高，成本低。但由于其結(jié)石體機械性能差，施工工藝煩瑣，主要用于加固質(zhì)地堅硬、裂隙大且變形量小的圍巖體。對于煤體的加固，由于其凝固時有一定量的水分析出，還會對煤體產(chǎn)生軟化，起到相反的作用。有機材料是溶液型漿液，可以滲透到細小的裂隙中，與各種破碎圍巖有較好的親和力和黏結(jié)力，漿液結(jié)石體具有良好的機械性能，能滿足圍巖一定的變形量，施工工藝簡單。

1 煤巖體化學注漿加固技術(shù)的應用

1．1 礦井概況

西山煤電股份公司馬蘭礦是我國“七五”期間建設的國有重點煤礦。1983年11月20日開工建設，1990年6月27日投產(chǎn)，設計生產(chǎn)能力400萬t/年，服務年限107年。與礦井相配套的選煤廠設計能力為年入洗原煤400萬 t，于1993年10月20日建成投產(chǎn)。礦井采用斜—立井聯(lián)合開拓，現(xiàn)采煤層為02#、2#、8#3 層煤。

1．2 工程概況

12504工作面所采煤層為石炭二疊系山西組2#煤，屬穩(wěn)定可采近水平中厚煤層，煤層厚度2．68～3．57 m，平均厚度3．26 m，為 1#與 2#煤層合并區(qū)，結(jié)構(gòu)較復雜，靠上部含1層夾矸，厚度0．07～0．40 m，平均0．17 m，巖性以粉砂質(zhì)泥巖為主，煤層結(jié)構(gòu)0．29(0．17)2．80。本區(qū)上部 02#煤大部分未采，煤厚 1．05～1．30 m，平均 1．10 m;02#煤與 2#煤層間距 8 ～14 m，平均11 m。工作面采用走向長壁后退式一次采全高全部垮落法的綜合機械化采煤方法，“四·六”制作業(yè)，1個班檢修，3個班生產(chǎn)。

12504工作面在回采過程中，工作面60#～70#架揭露3 條斷層，落差分別為 3．0 m，1．8 m、2．6 m，且落差3．0 m斷層與工作面夾角僅為12°，與工作面斜交至1．8 m斷層處，見圖1。造成工作面59#～64#架頂板難以維護。為防止漏頂事故的發(fā)生，有效地解決移架、推溜困難問題，加快推進速度，經(jīng)研究采用波雷因化學加固材料及注漿設備和相關(guān)工藝，對12504工作面進行化學注漿加固，將破碎煤巖體固結(jié)，提高煤體整體強度，為安全、高效回采創(chuàng)造條件。

圖1 12504工作面切眼圖

2 加固方案

2．1 波雷因注漿材料性能

河北同成礦業(yè)科技有限公司研制生產(chǎn)的礦用波雷因注漿加固材料由體積相等的A、B兩種化學材料組成，當A、B兩種化學材料等量充分混合后，便發(fā)生一系列復雜的化學反應，生成對煤巖體具有較高黏結(jié)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(nèi)形成網(wǎng)絡骨架，起到補強加固、充填密實等作用，有效地提高了破碎煤巖體的整體強度和抗變形能力。

波雷因材料的性能指標如下：

1)乳化時間：5～10 s

2)不粘手時間：30～40 s

3)固結(jié)體密度：40～120 kg/m3

4) 抗壓強度：0．3～5 MPa

5)阻燃性能：阻燃氧指數(shù)大于26%

6) 黏結(jié)強度：0．1 ～0．5 MPa

7)漿液密度：1 250 kg/m3

8)漿液黏度：125～300 MPa·s

9)雙液混合比：1∶1

10)20℃時的儲存期限：6個月

該漿液注入巖層后，低黏度混合物保持幾秒，滲透進入細小的裂縫膨脹。固結(jié)體具有較高的黏合力和較好的機械性能，與巖層有較好的親和力，固結(jié)體的柔韌性能較好，可承受一定的塑性變形。

2．2 注漿加固方案

對12504工作面的注漿加固，應保證在回采時頂板和煤體不出現(xiàn)大的片幫和冒頂，使得支架能正常推進。同時考慮到要承受采動動壓影響，這就要求加固體不僅具有一定的強度，還要有一定的彈塑性，以適應超前支撐壓力的變化，因此，決定選用化學注漿加固材料—波雷因材料對12504工作面進行注漿加固。

2．2．1 布孔方案

為了防止12504工作面60#～70#架上方出現(xiàn)較大冒頂現(xiàn)象，在支架前探梁下方300 mm處沿工作面方向打眼，向上呈60°左右，同時根據(jù)情況在支架中部和后部進行打孔，孔深4～6 m，采用錨索鉆機進行打孔，孔徑42 mm，完成鉆孔后，將注漿管分組直接插入冒空區(qū)內(nèi)，注漿管布置見圖2。

2．2．2 注漿壓力

根據(jù)煤體的承受能力和最小抵抗面及工作面圍巖條件，當工作面供風風量不低于3．5 m3/min，供風壓力不低于0．5 MPa時，設計巷幫的注漿終壓4～6 MPa，頂板的注漿終壓8～10 MPa，擴散半徑均為3 m左右。

圖2 注漿管布置平面示意圖

2．2．3 注漿量預計

預計每孔注漿量為160～200 kg。

2．2．4 注漿設備

封孔、注漿均采用ZBQ－12型風動化學注漿泵，注漿泵工作原理見圖3，相關(guān)參數(shù)見表1。與注漿設備配套的進風管為d25 mm高壓風管20 m，出漿管規(guī)格為d10 mm，長度10 m、5 m、2 m各若干根。

圖4 注漿系統(tǒng)布置示意圖

圖3 ZQB－12型風動化學注漿泵工作原理圖

表1 ZBQ－12型風動化學注漿泵性能參數(shù)表

2．2．5 施工工藝

施工工藝：標孔→鉆孔→檢查鉆孔質(zhì)量→安裝注漿管及封孔部件→封孔→準備漿液→開泵注漿→凝固→檢查注漿質(zhì)量→驗收。注漿系統(tǒng)布置見圖4。

2．2．6 施工組織

為了防止波雷因漿液的浪費，注漿應采用多打眼少注漿的方式，每孔預計注入200 kg左右材料。

工作面初次加固完成后，保證工作面在超前加固的前提下進行回采，加固循環(huán)進度為4～5 m，然后可根據(jù)現(xiàn)場情況考慮第二次注漿。

初次加固時根據(jù)工作面情況隨時確定時間進行加固，后期加固時間根據(jù)工作面頂板情況另定。

3 使用效果

通過使用波雷因化學注漿材料加固，將破碎煤巖體固結(jié)，提高煤巖體整體強度，使12504工作面頂板、煤幫完整性加強，提高了整體承載能力，為12504工作面安全、高效回采創(chuàng)造安全有利條件。12504工作面過斷層期間，采用1個班注漿，3個班生產(chǎn)的生產(chǎn)組措施，共注漿6個循環(huán)，注漿量12 t，日生產(chǎn)原煤3 500～4 200 t，保證了正常生產(chǎn)。

4 社會、經(jīng)濟效益

1)對12504工作面進行化學注漿加固后，工作面頂板、煤幫完整性加強，破碎煤巖體基本固結(jié)，提高了煤體整體強度和整體承載能力，保證了工作面的超前加固，為安全、高效回采創(chuàng)造了條件。

2)加快了12504工作面回采推進速度，確保了礦井安全、高效生產(chǎn)。

3)避免了工作面過斷層期間由于冒頂、片幫而構(gòu)頂?shù)墓ぷ髁浚瑴p輕了職工勞動強度，提高了安全系數(shù)。

4)對類似條件下工作面回采過斷層具有指導意義，應用前景廣闊。