綜采工作面過風氧化帶注漿技術研究與應用

張國英

(霍州煤電集團 呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033000)

?

·試驗研究·

綜采工作面過風氧化帶注漿技術研究與應用

張國英

(霍州煤電集團 呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033000)

山西某煤礦1805綜采工作面在通過風氧化帶的過程中，造成構造帶區(qū)域內頻繁漏頂，致使運輸機過載無法啟動，影響工作面正常推進。通過數(shù)值模擬的方法，對風氧化帶構造應力場的分布規(guī)律進行了研究，并對1805工作面進行了注漿加固方案設計，加強了風氧化帶充填物的物理力學性質，增強了頂板的穩(wěn)定性，對相似條件下的淺埋深綜采工作面過風氧化帶具有一定指導意義。

綜采工作面；風氧化帶；填充物；注漿

在煤礦的開采過程中，由于地質條件復雜多變，工作面會遇到許多地質構造，例如風氧化帶、斷層等。這些出現(xiàn)在工作面開采范圍內的地質構造由于其內部圍巖性質與頂板圍巖的性質不同，會破壞頂板的完整性，特別是一些圍巖破碎、巖性較差的風氧化帶，其內部甚至存在大量黏土等松散物質。這種性質的風氧化帶不僅使工作面頂板破碎發(fā)生漏頂，還會使大量的黏土漏入刮板輸送機內，導致機頭附著大量黏土無法正常運轉，嚴重影響了工作面的生產安全及工作效率。因此，對于淺埋深綜采工作面過風氧化帶的頂板穩(wěn)定性及其控制方法的研究具有重要的意義。

1 工作面概況

以山西某礦1805工作面為工程背景，該工作面所在煤層為8#煤下分層，地面標高1 000～1 111.2 m，煤層底板標高為956.84～966.37 m，上覆基巖和表土層厚度33.63～154.36 m. 1805工作面凈寬為238.8 m，工作面推進長度為638.9 m，煤層厚度為3.3～3.5 m，平均厚度為3.4 m.

1805工作面煤層頂板一般為砂巖，偽頂為炭質砂巖，厚度0～0.15 m，局部發(fā)育，黑色炭質砂巖，局部賦存一層約0.05 m白色黏土巖，開采時隨煤層一起脫層垮落；直接頂為砂巖，厚度5.6 m，巖性特征：深灰色，泥質膠結，局部夾有黏土巖。在1805工作面輔運順槽490 m處發(fā)現(xiàn)風氧化帶。風氧化帶范圍內頂、底板和煤體松軟。1805綜采工作面在通過風氧化帶的過程中，造成構造帶區(qū)域內頻繁漏頂，漏頂后致使運輸機過載無法啟動，影響工作面正常推進，同時，對現(xiàn)場作業(yè)人員安全也造成一定影響，工作面漏頂情況見圖1. 為確保高效安全生產，急需對綜采工作面過風氧化帶的頂板加固方案進行研究。

圖1 1805工作面漏頂圖

2 風氧化帶構造應力場

本文選用3DEC數(shù)值模擬軟件對風氧化帶構造進行模擬研究，圍巖力學數(shù)據(jù)、構造面數(shù)據(jù)分別見表1，表2.

對模型的最大、最小主應力進行研究分析，模擬結果見圖2，圖3.

表1 圍巖力學數(shù)據(jù)表

表2 斷裂構造面力學數(shù)據(jù)表

圖2 主應力跡線模擬圖

圖3 主應力方位模擬圖

由圖2，3可以發(fā)現(xiàn)：風氧化帶構造會對主應力的方向產生影響，使風氧化帶附近的應力發(fā)生偏轉。模型一中，風氧化帶周圍最大主應力偏轉0～60°，越接近風氧化帶應力偏轉角度越大。模型二中，風氧化帶周圍最大主應力偏轉0°～30°，越接近風氧化帶應力偏轉角度越大。

兩個模型的風氧化帶周圍主應力變化的規(guī)律區(qū)別較大，模型一、模型二中，主應力分別偏轉0～60°、0～30°，模型一偏轉較大，并且在兩個模型中，風氧化帶周圍的應力場范圍也不同，模型一大于模型二。因此，風氧化帶內部填充物的物理力學性質對構造周圍的應力場變化有較大的影響。

3 工作面過風氧化帶方案設計

通過注漿加固能夠有效提高破碎巖體的物理力學性質，增強其穩(wěn)定性，并且風氧化帶和頂板砂巖風化潮解，尤其遇水后極不穩(wěn)定，對工作面及順槽的圍巖穩(wěn)定均有影響。因此，為防止工作面局部漏頂保證工作面正常推進，需要對風氧化帶進行預注漿加固。

具體方案：在工作面揭露風氧化帶位置的煤壁上打孔，預注馬麗散對煤壁和頂板進行加固。注漿孔深度為6 m. 注漿后工作面推進4 m，進行第二次注漿，然后工作面再推進4 m，進行第三次注漿。依次循環(huán)，直至推過風氧化帶為止。工作面加固范圍為：工作面至前方60 m范圍，總共需要注15個循環(huán)。每個循環(huán)施工注漿孔數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場揭露范圍確定。

3.1 工作面注漿加固方案

回采工作面注漿孔采用“三花孔”布置，孔距為3 m，平孔與頂孔交替布置。注漿孔施工角度根據(jù)現(xiàn)場情況確定。馬麗散的注漿比例為1∶1. 工作面內注漿布孔方案見圖4.

圖4 工作面注漿孔布置方案圖

3.2 順槽兩幫加固方案

為保證1805順槽在工作面推進過程中頂板安全，需對巷道兩幫及頂板進行加固。此段區(qū)域補強維護工作，必須在工作面距風氧化帶20 m之前完成，防止超前應力對此區(qū)域內的煤、巖造成再次破壞。

1) 在巷道兩幫風氧化帶揭露區(qū)域，提前注馬麗散加固。注漿孔布置數(shù)據(jù)、布置方式與工作面孔布置方式相同。施工位置有兩種：沿著風氧化帶走向布孔；從巷道煤壁打孔，找到風氧化帶位置，進行布孔。如以上任何一種方式效果不佳，可兩種方式結合使用。

2) 順槽與風氧化帶交叉點承壓三角煤柱加強支護。由于此處煤體與風氧化帶夾角較小，受集中應力及采動影響，極易片幫垮落，一旦片幫會導致此處空頂面積增大，因此有必要采取加固措施。除去注漿加固外，考慮在此處施工幫錨桿進行補強，先打錨桿后注漿。順槽氧化帶注漿鉆孔布置方案見圖5，順槽與風氧化帶交叉點支護示意圖見圖6.

圖5 順槽氧化帶注漿鉆孔布置方案圖

圖6 順槽與風氧化帶交叉點支護示意圖

工作面過風氧化帶具體操作要求：1) 加強及時支護。堅持使用單架依次順序移架，這種移架方式卸載截面積小，頂板變形量也較小，采煤機割煤時，支架采用追機移架作業(yè)方式，煤機每割完1架，支架必須及時前移，使支架緊跟前滾筒，減少頂板暴露時間，防止破碎頂板變形和離層，可以對破碎頂板進行有效控制。另當工作面空頂面積較大時，必須及時拉出超前架。根據(jù)工作面實際情況，過破碎帶期間回采時，采高需控制在3.3～3.6 m. 2) 加快工作面推進速度。

合理組織工作面的生產，確保生產班完成正規(guī)循環(huán)，提高工作面的推進速度，減小單體支柱的支護時間，能夠有效減小頂板在超前壓力作用下的破壞。過1805工作面漏頂區(qū)域時，必須做好隨時處理故障的準備，并組織生產。在條件允許的情況下，按照正規(guī)循環(huán)作業(yè)，并根據(jù)頂板情況進行調整，合理分配工作人員。

4 結 語

山西某煤礦1805綜采工作面在通過風氧化帶的過程中，造成構造帶區(qū)域內頻繁漏頂，漏頂致使運輸機過載無法啟動，影響工作面正常推進，同時，對現(xiàn)場作業(yè)人員安全也造成一定影響。本文對風氧化帶附近的構造應力場進行了數(shù)值模擬研究，認為風氧化帶構造內部填充物的物理力學性質對構造周圍的應力場變化有著巨大的影響，填充物的物理力學性質越差，主應力偏轉角度越大，構造應力越復雜。因此，需要對風氧化帶構造內部進行注漿加固，本文對1805綜采工作面過風氧化帶圍巖注漿加固進行了方案設計，加強風氧化帶充填物的物理力學性質，從而增強穩(wěn)定性，保證了工作面的安全高效生產。

[1] 李召峰，李術才，劉人泰，等.富水破碎巖體注漿加固實驗與機制研究[J].巖石力學與工程學報，2016，36(1)：198-207.

[2] 張慶松，李 鵬，張 霄，等.隧道斷層泥注漿加固機制模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34(5)：924-934.

[3] 劉泉聲，盧超波，盧海峰，等.斷層破碎帶深部區(qū)域地表預注漿加固應用與分析[J].巖石力學與工程學報，2013，32(增2)：3688-3695.

[4] 孫 健，邢存恩，沈貴陽，等．工作面過斷層煤壁注漿加固實踐與理論分析[J]．煤炭技術，2014，33(5):93-96．

[5] 李見波，許延春，王新梅．注漿加固套管抗彎性能對煤層底板變形的影響[J]．采礦與安全工程學報，2017，34(2):336-341．

[6] 李見波．雙高煤層底板注漿加固工作面突水機制及防治機理研究[D]．北京：中國礦業(yè)大學(北京)，2016．

[7] 宋銀珠，張 劍．中興煤礦馬麗散注漿材料加固破碎頂板[J]．煤炭科學技術，2007(7):48-50．

Research and Application of Grouting Technology for Wind Oxidized Zone in Fully Mechanized Coal Mining Face

ZHANG Guoying

In the process of 1805 fully mechanized coal mining face in a coal mine in Shanxi Province, the fall of the roof coal are frequently occurred, made the conveyor belt can not operate normally due to the oxidized coal seam zone, which also affect the normal mining. Based on the numerical simulation method, the distribution laws of tectonic stress field in wind oxidized zone are studied. The design of the grouting reinforcement was carried out on the working face, which strengthened the physical and mechanical properties of the fillings, and enhanced the stability of the roof, and the practice is of some guiding significance for the shallow oxidation and airslake zone under the similar condition.

Fully mechanized coal mining face; Wind oxidized zone; Filler; Grouting

2017-03-05

張國英(1986—)，男，山西臨猗人，2011年畢業(yè)于太原理工大學，助理工程師，主要從事綜采技術管理工作

(E-mail)441967596@qq.com

TD265.4

B

1672-0652(2017)05-0025-03