注漿加固技術在破碎頂板治理中的應用

2020-04-18 04:31:08朱少杰

煤 2020年4期

朱少杰

(山西煤炭運銷集團盛泰煤業有限公司，山西高平 048400)

在工作面回采過程中常常會遇到斷層、陷落柱等特殊的地質構造，受這些特殊地質構造的影響，其周圍煤巖體特性發生了改變，煤巖體強度下降，加之采動或外力的影響使煤巖體發生了破碎[1-2]。尤其出現在工作面頂板附近時，破碎的頂板導致整個采場圍巖穩定性下降，承載能力不足，常常發生頂板冒落，甚至造成冒頂事故，嚴重影響礦井的安全生產[3-4]。本文針對盛泰煤業15201綜采工作面頂板破碎的問題，通過采用工作面煤壁預注漿技術，使得采場圍巖穩定性增加，保證了礦井安全生產。

1 工程概況

盛泰煤業位于山西省高平市陳區鎮，隸屬于晉能集團晉城有限公司，井田面積14.554 1 km2，主要開采3號、15號煤層，現開采15號煤層，煤層厚度2.8～4.1 m，平均厚度3.5 m，平均傾角3.5°，設計生產能力120萬t/a。15201工作面位于二采區中部，工作面推進長2 620 m，切眼長200 m，采用綜合機械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。

工作面回采至600 m時，110號支架開始向機尾頂板有1層厚夾矸，為灰黑色泥巖，延伸至126號架時為2 m厚，根據現場實際揭露判斷，為落差3 m的逆斷層，機尾段G4號架至回風巷為上盤，126～110號架位置為下盤，本段留有底煤，如圖1所示。由于126～G6號架頂板破碎、漏矸，導致支架錯差較大，傾斜嚴重、出現咬架情況，現場決定采用注漿加固的方法對工作面破碎段進行治理。

圖1 15201 綜采工作面破碎段示意

2 破碎區域注漿加固機理

由于破碎區域存在于工作面煤壁，生產期間垮落的矸石膠結性差，生產過程中隨采隨冒，嚴重影響正常的生產作業。因此需要對工作面煤壁頂板進行預注漿加固，通過預注漿液擴散到破碎矸石裂隙內，達到一定時間后，漿液會將破碎區域內的矸石膠結在一起，而且注漿材料注入頂板巖層后，滲透進細小的裂縫膨脹，產生二次壓力，將破碎區域內的矸石更好地膠結為一個整體，對工作面破碎頂板起到有效的固結作用，有利于采煤機滾筒切割之后及時的支護作業。

3 注漿參數確定

3.1 注漿材料的選擇

根據工作面煤壁、頂板破碎煤巖體的賦存特征和采煤工藝要求，選擇化學注漿加固材料。化學漿材料是一種高分子聚合物，具有較好的滲透性、較高的粘合力和較強的機械性能[5]。該材料由A、B兩種組分組成，比例按照1∶1進行配比，并通過實驗室對材料水灰比進行測試，選擇水灰比1∶1的材料進行注漿。

3.2 注漿鉆孔布置

根據破碎區的影響范圍，結合現場生產組織，將注漿孔深度確定為5.0 m，角度為斜向頂板15～30°，孔間距3 000 mm，開孔位置位于頂板下方1 000～1 500 mm處。每兩架液壓支架布置1個鉆孔，共布置1排鉆孔，如圖2所示，采用打一孔注一孔的方式進行注漿，直至將破碎區域所有孔注完再進行生產，按照 “注漿—生產—注漿”的循環方式進行組織。

圖2 注漿孔布置示意(mm)

3.3 鉆孔施工

由于工作面超前應力及二次采動影響，頂板較為破碎，尤其工作面來壓期間。在打鉆施工過程中易出現卡鉆等現象，為了保證順利注漿，在打鉆過程中采用了分段成孔工藝。

1) 注漿打孔采用直徑為42 mm鉆頭鉆進3 m，退鉆，下套管(注漿管2 m，花管1 m)，于1.5～2 m處上封孔器，封孔器直徑為38 mm，套筒外端焊高壓法蘭，套筒示意見圖3。

圖3 套管示意

2) 連接好法蘭進行第一次注漿，主要加固孔口破碎區域內矸石，保證注漿壓力，盡可能保證漿液滲入到孔口破壞區域矸石裂隙間，達到注漿效果，封孔。

3) 封孔1 h后，打開法蘭，繼續鉆孔，直至達到5 m為止。鉆孔過程中遇到卡鉆等問題時，及時退鉆，合上法蘭，重新注漿，注漿結束后，繼續鉆孔。

4) 鉆孔達到設計深度后，連接管路進行注漿。

3.4 注漿工藝

注漿采用2ZBQ-6/12氣動高壓雙液注漿泵和QB500型氣動攪拌桶進行注漿。將A、B料運至注漿泵進料口，距泵體1 m處，并將吸料管插入料桶中底部。A料氣動閥門打開，當A料在出料管口流出的時候關閉氣動閥門，開啟B料氣動閥門，當B料流出的時候關閉B料閥門，然后同時開啟A、B料氣動閥門調試A、B料的流量，比例控制在1∶1，在調試比例的時候A、B料流入固定的容器中，當比例調試穩定后，關閉A、B氣動閥。按照水灰比1∶1將注漿材料在攪拌桶內攪拌均勻，然后將配比好的漿液利用注漿泵注入注漿孔內，注漿過程中要保證壓力，使得漿液能充分滲透到破碎矸石裂隙之間。注漿結束后，待50～60 s觀察漿液凝固效果及加固效果。

4 注漿效果分析

為了驗證注漿效果，特對距工作面煤壁不同距離處，注漿前后頂板下沉量及超前支撐應力進行了對比分析。圖4為距工作面煤壁不同距離處注漿前后頂板下沉量變化。由圖4可知，隨距離工作面煤壁距離增加，頂板下沉量也在增加，但是注漿后頂板下沉量明顯降低，距離工作面煤壁12 m處注漿前頂板下沉量為401 mm，注漿后為210 mm，下降了47.6%。注漿后頂板穩定性明顯增加。