覆巖離層注漿充填加固技術研究與實踐

2022-12-06 06:45:04王金紅

煤 2022年12期

王金紅

(中煤華晉集團韓咀煤業有限公司，山西臨汾 041000)

隨著我國煤炭資源開發戰略西移和綠色開采的現實要求[1-3]，煤炭開采進入新的發展階段，西部地區大規模高強度開采產生的煤矸石綜合利用引發廣泛關注[4-6]，煤矸石地表堆積處理占用大量土地，且污染嚴重；用于發電、鋪路、生產建材、化工原料、農業產品等也存在二次污染或處理量小等問題[7-9]。近年來我國環保政策要求逐漸趨嚴，部分礦區開始探索充填采煤技術并取得了一定成效[10-14]。離層注漿技術是指在掌握采空區上覆巖層離層發育基礎上，在井下制備粉煤灰漿液，通過頂、幫鉆孔將漿液填充離層區抑制巖層沉降，達到減少巷道變形量的目的。該技術可布置在常規掘進工作面中，不影響原有生產工藝、操作簡單、充填成本低，20世紀80年代撫順礦務局和遼寧工程技術大學采用該技術減緩地表沉陷，并在理論方面取得一定效果，此后在開灤、新汶、兗州、豐城等多個礦區實踐取得成功，但該技術對于新型注漿材料的開發、新工藝使用以及合理注漿參數、注漿位置等都有待進完善[15-17]。

中煤華晉集團韓咀煤業設計產量為120萬t/a，受小窯破壞影響及留設8 m小煤柱沿空掘巷影響，頂板條件較差，掘進工作面礦壓顯現較明顯，巷修礦務工程量大、作業風險高，亟需探索一種新型頂板控制技術。筆者在充分調研國內外煤矸石利用現狀和充填開采技術基礎上，提出了煤矸石覆巖離層注漿充填新技術，詳細介紹了該注漿方法技術原理、材料特性、充填系統構成及適用性評價，最終進行工業性試驗，為類似條件下煤炭開采及矸石處置提供理論依據。

1 煤矸石覆巖隔離注漿充填加固技術

1.1 技術原理

煤矸石覆巖離層注漿是部分充填加固技術的一種，其原理是在井下將煤矸石、粉煤灰和水混合形成均勻漿體，通過頂、幫鉆孔在頂板離層區域高壓注入煤矸石漿液充填，注漿區域包括橫向離層區域和豎向破斷區域，形成一定范圍的充填壓實區維護關鍵層穩定，限制巷道頂板下沉，達到處理矸石和減少巷道變形量及巷修礦務工程的雙重目的。

1.2 技術關鍵

在“煤矸石覆巖離層注漿充填技術”應用中，為防止離層區域內漿液材料流失進入工作面造成井下排水量增加，需對巷道頂幫進行噴漿形成隔水層，漿液注射范圍需控制在頂板離層某層位，以及確定合理的注漿材料和注漿參數。注漿材料在保證料漿流動性能條件下，應盡可能增加矸石含量；注漿參數包括關鍵層和注漿層的層位確定、注漿時機、注漿壓力等。

1) 注漿充填層位：目前2號煤平均埋深270 m，煤層平均厚度5.95 m，為了確定注漿充填層位，根據煤炭科學技術研究院編制的《“三帶”發育規律研究報告》，6 m煤層裂隙帶高度公式為：

(1)

式中：m為累計采厚,m.

根據式(1)計算出煤層裂隙帶高度為7.8 m，根據現場鉆孔地質資料、聲波測井、井下鉆孔窺視等手段初步確定主注漿層位為頂板往上3 m的裂隙區，二次補償注漿層位為頂板往上7 m的離層區。

2) 注漿充填時機：離層注漿時機需要根據覆巖離層區發育規律及目標關鍵層的穩定控制要求進行選擇，即在滿足目標關鍵層不發生破斷情況下，達到最高的注漿充填量，初次充填時機為目標關鍵層下方離層時開始注漿，即注漿孔位于工作面超前支承壓力峰值區域時實施注漿，工作面開采前提前打好注漿孔，在孔中注入高壓水，當鉆孔中水體漏失量突然增大時，進行初次注漿，其計算公式如式(2)所示。

(2)

根據該礦現場實際情況得m=5，f=0.4，γ=2.5 t/m3，K=2，H=270 m，φ=28°.經計算32105工作面支承壓力峰值位置位于工作面煤壁前方14.2 m.

3) 注漿充填壓力：鉆孔注漿壓力應不小于充填層位以上巖層自然地壓，保證離層區域穩定性并促進離層區發育。在實際施工過程中，通過調節充填鉆孔上口注漿壓力來控制注漿區穩定性，考慮到鉆孔高度差，孔口注漿壓力如式(3)所示；注漿泵壓力需另外考慮到料漿在管道輸送過程中的沿程和局部阻力損失，注漿泵壓力如式(4)所示。

P泵=P孔+hf

(3)

P孔=H(γ-γ1)

(4)

5) 注漿鉆孔布置：注漿鉆孔位置及數目與漿體擴散半徑，工作面尺寸等因素相關，為了實現較好的充填效果，應綜合考慮到施工成本、技術難度。在沿走向方向布置在工作面中部布置，每組可布置多個鉆孔，保證對關鍵層下最大離層處進行及時充填，鉆孔深度需要打到離層發育的關鍵層下。沿走向相鄰兩鉆孔間距應不大于漿液的擴撒半徑的2倍，其計算如式(5)所示。

W≤2KjPK

(5)

圖1 注漿孔布置示意(mm)

2 注漿材料與充填系統設計

2.1 注漿材料配比試驗

合理的漿液配比是保證煤矸石注漿效果的前提，本節進行充填材料配比試驗，為研究料漿濃度、煤矸石和粉煤灰比例對注漿材料流動和泌水性能的影響，設置不同水灰比、矸石粉煤灰比開展參照對比試驗。本次試驗所用矸石及粉煤灰如圖2所示，矸石來自于該礦排矸場；粉煤灰顏色為灰黑色，為低鈣粉煤灰，所用水為礦井廢水。采用篩分法和激光粒度分析法對試驗所用煤矸石及粉煤灰粒徑分布進行測試，如圖2所示，經過破碎后最大粒徑不超過10 mm，其中0～5 mm占68%，5～8 mm占27%，8～10 mm占5%，級配良好；粉煤灰粒徑分布范圍為1～100 μm，最大粒徑不超過100 μm.

圖2 試驗所用矸石及粉煤灰

試驗前準備過程包括配料、稱重、攪拌等步驟，料漿攪拌均勻后，采用塌落度筒和泌水率筒測試料漿塌落度和泌水率，試驗分為2組，其中第一組固定矸石/粉煤灰=6∶1，改變料漿濃度分別40%、44%、48%、52%、56%、60%、64%；第二組固定料漿濃度為55%，改變矸石/粉煤灰比例分別為 6∶1、5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶0，試驗結果如圖3所示。

圖3 矸石及粉煤灰粒徑分布

圖4(a)為不同質量濃度條件下注漿材料的塌落度和泌水率，由圖可知，在不同質量濃度下，注漿材料的的坍落度不低于250 mm，各配比下料漿的流動性能良好，隨著注漿材料的濃度逐漸增加，塌落度不斷減小，當料漿濃度從40%增加至60%時，料漿塌落度從275 mm降低至254 mm，注漿材料濃度增加降低了料漿的和易性，因此在注漿過程中需控制料漿的濃度，保證料漿的流動性防止堵管。隨著濃度增加，料漿的泌水率不斷減小，當料漿濃度從40%增加60%時，料漿泌水率從20%降低至9%，說明料漿濃度越高，固水性能越好。圖4(b)為質量濃度為 50%時，不同矸石/粉煤灰質量比下注漿材料的塌落度和泌水率，由圖可知，隨著矸石/粉煤灰比率逐漸增加，注漿材料的塌落度減小、泌水率增加，粉煤灰中的細顆粒含量減小，在料漿中起到潤滑作用，料漿塌落度減小，但固水能力減小，導致泌水率增加。

圖4 注漿材料塌落度及泌水率

2.2 覆巖離層注漿充填系統

在開展注漿材料性能研究基礎上，設計了煤矸石覆巖離層注漿充填系統，主要分為制漿系統、輸漿系統及注漿系統3大部分。注漿系統的工藝流程包括運輸、破碎、磨細、攪拌、注漿、充填等步驟，矸石經過破碎后最大粒徑不超過10 mm；制漿系統將破碎后矸石、粉煤灰、水經過分級攪拌后，混合成均勻料漿通過管道輸送。根據該礦實際情況，該系統年矸石輸送量200萬t，漿液濃度60%；共設置2個輸漿孔，孔內徑為50 mm，輸送主泵型號2ZBQ120/1，管道輸送最大壓力2 MPa.

3 工業性應用

3.1 工程應用情況

注漿地點選擇32105工作面輔運巷，該巷道掘寬×掘高=4 700 mm/5 900 mm×3 300 mm，巷道埋深為270 m，確定主注漿層位為267 m，注漿壓力2 MPa；二次補償注漿層位為263 m；注漿壓力3～5 MPa.注漿充填區域鉆孔沿工作面走向布置，鉆孔布置于工作面中部，孔深為3 500 mm，排距為1 200 mm，孔徑50 mm，每排8個注漿孔。其中每排頂板4個、左幫及右幫各2個。頂板注漿孔間距1 300 mm，均勻布置；兩幫孔分別距頂板1 200 mm、2 500 mm.

3.2 效果評價

1) 充填效果分析：為了評價充填開采效果，在工作面對于地表設置剖面線普通地表移動觀測站，走向觀測線和傾向觀測線相互垂直，走向觀測線長度450 m，觀測點16個，點間距30 m；傾向監測線長度240 m，觀測點9個，點間距30 m.監測結果如圖5所示，注漿充填后，走向線實測最大沉降值在第16個測點，最大下沉量為231 mm，傾向線實測最大值在第9個測點，最大下沉量為214 mm，減沉率為67%.