硅化煤技術在建新高瓦斯采空區密閉施工中的應用

馮 建

(陜西陜煤蒲白礦業有限公司，陜西 蒲城 715517)

0 引言

建新煤礦4202工作面為建新煤田第一個高瓦斯綜放面，工作面走向長度2 030 m，傾向長度200 m，煤層厚度8.7～13.5 m，平均厚度11.1 m，煤層屬Ⅱ類自燃煤層。4202工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。直接頂板為砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖及互層，屬穩定性較差頂板。煤層底板主要為一套厚度不大的粘土質沉積物，含粉砂質、炭質、鈣質及鐵質和植物根化石，遇水膨脹易變形。4202綜放面回采結束后，由于密閉及周邊原始煤體受采動壓力影響，墻體與煤體接縫及原始煤體裂隙(停采線處煤層厚度約12～13 m)受地表氣溫及大氣壓力影響，采空區與外界巷道空間出現“微循環”通道，密閉墻外氣體經常超限，瓦斯高達6%(墻內60%)，CO 30 ppm(墻內180 ppm)，給采空區瓦斯防治及防滅火帶來了新的威脅。通過對該密閉實施硅化煤加固技術，杜絕了瓦斯與CO超限現象，將有害氣體控制在了安全范圍之內。

1 硅化煤技術原理

硅化煤技術是將硅酸鹽等水泥漿液通過設備壓注到煤體內，使水泥漿液與煤體發生復雜的物理化學變化，對煤體起到加固和封堵的效果。

1.1 提高煤巖體剛度和抗剪強度[1]

圍巖體法向剛度和切向剛度可以用來反映裂隙面的變形特性。

(1)

(2)

式中：σ和τ分別為裂隙面的正壓力和剪應力；μ為切向位移。

通過剪切實驗擬合，煤巖體法向剛度

(3)

其中：Kno為初始法向剛度；Vm為常數。

從式(3)可以看出注漿后裂隙結構面的剛度和抗剪強度隨法向正應力σ的增加明顯提高。

1.2 發揮骨架網絡作用

水泥漿在圍巖的裂隙中，通過反應與煤體形成網狀固結材料。該固結材料具有很好的粘結性和韌性。當載荷轉移到深部圍巖，破壞由原來的裂隙面破壞變為整體破壞形式。當載荷壓力大于煤體承載強度時，在固結材料的骨架網絡作用下，以良好的粘結性和韌性提高煤體的殘余強度，防止圍巖破壞范圍的擴大，從而控制巷道斷面的變形量。

1.3 充填壓實作用改變煤體的破壞機理[2]

漿液在壓力的作用下，不僅將煤體中較大裂隙填滿，同時也可將煤體中封閉的微小裂隙壓實，從而使煤體孔隙完全封閉，提高煤體的整體彈性模量和強度。依據以往相關實驗得知，降低巖體的孔隙率，可很大程度提高圍巖的整體強度，圍巖強度的提高有利于保持巷道的整體穩定性，同時孔隙中的固結材料在粘結作用下，使裂隙端部應力集中效應減小，從而改變圍巖的受力狀態，裂隙結構面由原來的二向受力狀態，轉變為三向受力狀態。煤體的應力狀態增強明顯，整體塑性增強，脆性減弱，從而達到改變煤體破壞機理。

2 硅化煤技術應用

2.1 密閉墻注漿鉆孔布置

密閉墻前頂、底板、幫部各布置5排注漿孔，為五花眼方式布置，間排距均為1 m，單數排孔深為2 m，雙數排孔深為1 m，首排注漿孔距密閉墻0.5 m，與煤墻夾角為60°，其它排數注漿孔均與煤墻垂直。注漿涉及范圍為密閉墻前>6 m，深入煤體內部>4 m，如圖1所示。

圖1 密閉墻圍巖注漿設計示意圖

2.2 施工方案

注漿孔施工：按照注漿設計方案，利用風鉆或風錨在密閉墻施工注漿孔，施工注漿孔必須與注水泥漿相結合，工序銜接有序(即施工1～5個注漿孔，及時將5個注漿孔進行注漿封堵或者一個班次施工注漿孔，一個班次注水泥漿)。

注漿孔插注漿管：注漿管用φ28 mm無縫鋼管焊制，插注漿管時，在注漿管頂端約1/3處用侵有玻璃水的棉紗纏繞數圈(纏繞直徑略>注漿孔直徑)，然后將注漿管插入注漿鉆孔，并用榔頭砸入(注漿管末端100 cm漏出注漿孔)，將注漿孔口與注漿管之間的間隙用棉紗塞緊，并用水泥抹嚴密固定。

注水泥漿：利用井下防爆注漿機(將水泥漿壓入注漿孔)和防爆攪拌機(攪拌水泥漿)，將p.s.A425#硅酸鹽水泥注漿按3∶1～4∶1的比例配比成水泥漿壓入注漿孔，水泥漿進入煤體裂隙，直至煤體裂隙充填滿。

注意事項：①根據風鉆壓力和出渣分析裂隙發育范圍，在密閉墻前左中右部分段打1 m潛孔和2 m深孔；②密閉墻施工過程中，墻體周邊掏槽由傳統的頂板300 mm、幫部500 mm、底板200 mm見實煤體，改為頂板500 mm、幫部800 mm、底板500 mm見實煤體。

2.3 應用效果

通過測定采空區內外氣體數據分析密閉墻圍巖裂隙狀況，研究注水泥漿效果。①利用密閉墻觀察孔多班次采集采空區內氣體，分析采空區內氣體成分；②利用微風管測試密閉墻及周邊圍巖漏風狀況。

治理效果：正常工作面封閉后20～30 d間，密閉墻圍巖出現導通裂隙，密閉墻外瓦斯濃度最高達6%(墻內60%)，CO 30 ppm(墻內180 ppm)。實施該項目后，密閉墻外瓦斯濃度低于0.4%(墻內65%)，CO低于5 ppm(墻內26 ppm)，觀測結果見表1。從表1可以看出實施效果良好，能快速對密閉墻圍巖裂隙進行封堵。

表1 密閉應用硅化煤技術觀測數據

施工結束經濟對比分析：根據經驗，按照使用水泥漿所需的量，同防火高分子材料使用情況進行費用對比，見表2。由表2可知，使用水泥漿單個密閉可節省資金38.5萬元。

3 結論

(1)硅化煤技術加固提高了圍巖體的整體剛度和強度，巖體殘余強度得到了增強，改變了裂隙的破壞機理。該技術杜絕了密閉周邊的“微循環”通道，減少了因地面大氣壓力變化對采空區造成的漏風，采空區CO濃度明顯下降；基本杜絕了高濃瓦斯通過煤體裂隙擴散到密閉外，密閉外瓦斯濃度不超限，控制在0.4%以下。

(2)硅化煤技術在應用過程中應根據煤體裂隙張開度、煤體結構面密度及注漿過程中的裂隙發育程度，合理控制施工壓力和施工深度。在季節更迭地面大氣壓變化幅度較大時段，每天下午3∶00～4∶00密閉外瓦斯與CO偏高，瓦斯最高0.8%，CO最高16 ppm，為了更好地控制氣體濃度不超限，在此基礎上應制定專項安全技術措施對采空區高濃度瓦斯進行釋放。

(3)適時進行二次復注。由于密閉受周邊采動影響，礦壓會發生變化，所以當煤體產生新的裂隙時應進行二次復注。

(4)通過實施硅化煤技術，較好地解決了4202高濃瓦斯采空區的防滅火、瓦斯治理等現實問題，與高分子材料相比可節約資金38.5萬元，具有在類似礦井進行推廣應用的價值。