沖擊地壓煤層構造帶圍巖超前加固技術實踐

崔宏科

(陜西彬長礦業集團有限公司,陜西 咸陽 712000)

0 引言

彬長礦區位于黃隴煤田的中段,是其主力礦區之一。礦區東部及南部以無煤區邊界線為界,西部及北部以陜甘省界為界,礦區東西長46 km,南北寬36.5 km,面積978 km2,含煤地層延安組共含煤8層,自上而下編號為1、2、3、4-1上、4-2上、4上、4-1、4號煤層,其中4號煤層為全區主要可采煤層,其余煤層為局部可采煤層,主采4號煤層平均厚度10.65 m,煤炭資源地質儲量8 978.83 Mt,可采儲量5 362.09 Mt。近年來,隨著礦區內各礦井開采范圍不斷擴大,開采深度不斷加大,沖擊地壓災害不同程度顯現,礦井地質條件更加復雜,特別是在掘進巷道施工通過地質構造帶區域時,圍巖破碎、強度低,礦山壓力顯現強烈,沖擊地壓礦震頻發[1-3],造成巷道頂板漏頂、幫部垮落時有發生。超前注漿是適用于破碎煤巖體加固的有效手段,其作用主要有兩方面。一是破碎煤巖體注漿后,強度與完整性得到顯著提高,在此基礎上進行錨桿(索)支護,可顯著提高錨桿的錨固力和可靠性,從而使錨桿支護作用得以充分發揮;二是能夠充分利用巷道圍巖本身的承載能力[4-6]。當破碎煤巖體注漿后,通過充填和固結煤或巖體中的裂隙和各種弱面,將破碎圍巖的裂隙充填粘結,使之成為一個整體,提高巷道圍巖的整體性和強度,從而達到增強圍巖自承能力的目的[7-9]。

1 工程概況

彬長礦區某礦井為沖擊地壓礦井,4號煤層施工的一條回采巷道,掘進工作面為矩形巷道,其斷面尺寸5.8 m×3.7 m(寬×高)。頂板采用錨桿、錨索、W型鋼帶BHW-280-3.0-5100 mm、金屬網支護,頂板錨桿為φ22 mm×2 500 mm螺紋鋼,“矩形”布置,間排距1 600 mm×800 mm;頂板錨索采用φ21.8 mm×7 100 mm鋼絞線,“矩形”布置,間排距1 600 mm×800 mm,施工在鋼帶孔內;幫部采用錨桿、異形鋼帶、金屬網支護,幫部錨桿為φ22 mm×2 500 mm螺紋鋼,矩形布置,間排距800 mm×800 mm。錨索托盤規格300 mm×300 mm×16 mm蝶形托盤,Q235錨桿鋼托板規格150 mm×150 mm×12 mm,金屬網規格φ6 mm×1 000 mm×2 000 mm。該掘進工作面4號煤層賦存穩定,厚度8.3～12.7 m,平均厚度10.5 m。煤層普氏系數f為2～3。煤層偽頂為泥巖,厚0.75 m;直接頂為泥巖,厚1.53 m,抗壓強度24.6 MPa,軟化系數0.4,屬于易冒落半堅硬不穩定型;老頂下部為粉砂巖,厚度3.18 m,上部為中粒砂巖,厚度8.88 m,其抗壓強度63.76 MPa,軟化系數0.50,屬于半堅硬較穩定型;偽底以碳質泥巖為主,厚度1.43 m;直接底為鋁土質泥巖,厚度4.07 m,其抗壓強度29.4 MPa。在掘進至里程950 m處時遇松散破碎圍巖構造帶,加之工作面掘進割煤期間時有沖擊煤炮顯現,導致漏頂頻發,甚至破碎煤體呈流沙狀潰入,頂板極難控制。不僅影響掘進速度,同時給生產帶來巨大安全隱患。因此,為提高掘進工作面迎頭圍巖強度和整體性,采取超前預注漿加固迎頭頂板圍巖技術進行控制。

2 注漿工藝

2.1 注漿材料及配比

2.1.1 注漿材料參數

該處構造帶圍巖破碎,裂隙發育,適宜采用滲透性好的化學漿液。選用SCPJG-2復合型加固材料,具體見表1。

表1 SCPJG-2復合型加固材料性能參數表

該加固材料是A、B兩種組分的復合產品,A、B兩組分混合后能迅速反應,產生高強度的聚合體。該產品有較好的粘結力,與煤巖體粘合后抗壓、抗剪強度高,耐沖擊、耐酸、耐堿性、滲透性、流動性好,遇水不發泡,能很好地滲入煤巖層細小的裂隙中。

2.1.2 產品特點

產品抗壓強度高,反應時間可調控,反應溫度低,閃點高、阻燃、抗靜電。此外,產品遇水不發泡,可用于含水的煤巖體加固,注入煤巖體后安全性好。

2.1.3 適用范圍

產品適用于含水、松散、破碎的煤巖體加固,以及掘進工作面頂幫,采煤工作面頂板、煤壁、超前支護段加固。此外,可用于斷層帶、陷落柱、煤巖層破碎帶的超前加固。

2.2 注漿孔布置

設計每掘進4 m循環施工14個注漿孔,鉆孔孔徑30 mm。鉆孔布置如圖1所示,鉆孔參數見表2。即在工作面前上方布置兩排孔,每排7個注漿孔,按不同仰角向頂板上方和左右傾斜。注漿后形成不同控制范圍,擴散半徑約為1.5 m,正前方最長控制距離為7 m,頂板正上方控制高度約7 m,巷道左右幫各控制距離為5 m[10-12]。注漿壓力一般為4～8 MPa,可根據現場情況調整,但不小于4 MPa。

圖1 注漿鉆孔布置示意

表2 注漿鉆孔參數表

2.3 注漿設備

使用MQT-120型錨索機配合φ32 mm鉆頭進行注漿孔施工。注漿設備采用2ZBQ-6/12型氣動高壓雙液注漿泵注漿。注漿管采用4分鋼管,長度6 m和8 m,分為實管和篩管,每個鉆孔放入注漿管由外到內依次為2根2 m實管+1 m實管+1 m篩管或3根2 m實管+1 m實管+1 m篩管,用專用封孔器封孔。如遇注漿吃漿量小、注漿壓力迅速增加等現象,相鄰注漿孔最前部調整為2根1 m篩管。注漿管用接頭連接,打入圍巖,注漿完成后不回收,可作為超前錨桿,起到加固巷道頂板作用。采用膠囊封孔器封孔,封孔長度500～700 mm。單孔注漿量500 kg,可根據現場實際情況進行調整。但單孔一次注入最大劑量不得超過1 000 kg。

2.4 注漿過程及注意事項

將A、B這2種組分按1∶1比例用專用注漿機配比注漿,注漿順序按照先下排孔后上排孔,每排按照由中孔向兩邊施工的次序注漿,打一孔注一孔。首先從工作面迎頭退后5 m向頂板施工第一輪注漿孔,注漿加固工作面正上方圍巖,完成后在工作面施工第二輪注漿孔注漿,以后每掘進4 m,打孔注漿一次,如此循環,直至通過圍巖破碎構造帶。即按照標孔→鉆孔→驗孔→安裝注漿管及封孔件→封孔→準備漿液→耐壓試驗→注漿→凝固→檢查注漿質量→掘進支護。注漿工藝如圖2所示。

1-注漿管;2-封孔器;3-快速接頭;4-專用注射槍;5-高壓膠管;6-氣動注漿泵;7、8-注漿液

2.4.1 連接風管料管

首先將風管接入壓風管接口處并插入U型卡,由小到大慢慢開風,等風管中沒有碎物吹出時停止吹風,并接入注漿泵開啟風閥。連接料管時各U型卡要牢固,避免扭曲、打折、交叉等。

2.4.2 配料、調試比例

將A、B料運至距注漿泵進料口1 m處,將吸料管插入料桶底部。首先將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,再開啟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,按比例1∶1調試穩定后,關閉A、B氣動閥,A、B料的容器不能混用。

2.4.3 安裝槍支、注漿

當氣動閥關閉后,迅速接入槍支,并確保U型卡牢固。槍支用快速接頭連接至注漿管,打開閥門,材料經過注漿槍混合后進入注漿孔,注漿時,邊注邊觀察漿液外滲范圍,當第一個注漿眼及頂幫端面出現少量漿液時不停止注漿;滲透較多時,可暫停5 min后繼續注漿,盡可能向孔內多注漿,確保注漿效果。若頂幫出現掉渣及片幫等異常情況時立即停止注漿,觀測不少于2 h且無異常后再注漿;當有材料在注漿擴散半徑內多次溢出后,注漿完畢,關閉風動泵。實施第二個孔注漿作業。單孔連續注漿時間不超過60 min為宜。按循環注漿孔依次注漿完畢后,關掉閥門等5 min,即可去掉進料管。

2.4.4 壓力控制及設備沖洗

在注漿過程中要低壓進行,根據具體情況,用控制閥的方法控制吸漿量,并一次性充填完,避免多次充填。每孔注漿結束后用水沖洗泵、槍支及管路,清洗至各部件出清水。

3 實施效果

通過在松散破碎圍巖構造帶中超前預注漿加固圍巖后,松散破碎頂板得到充填粘結,提高了圍巖自身的承載力,在掘進時有效地避免了沖擊煤層頂板漏頂事故,巷道圍巖整體穩定性變好,巷道成型基本形成了設計斷面,消除了破碎帶因沖擊煤炮而可能造成的冒頂安全隱患。經注漿后掘進,實施錨桿、錨索綜合支護后,施工完成的該巷道投入使用后經觀測巷道兩幫收斂在10 mm以內,頂板下沉量在10 mm以內,頂幫移近量符合規定,未出現離層、漏頂和冒頂事故,說明破碎圍巖變形得到有效控制,可見注漿效果顯著。

4 結論

(1)通過超前預注漿加固,使沖擊煤層巷道頂板在原來破碎的情況下通過注漿技術與硬巖重新組合為一整體圍巖層,恢復了圍巖完整性,提高了頂板的強度,增強了頂板的穩定性,避免了掘進割煤時因沖擊地壓顯現煤炮而造成的落頂現象。

(2)注漿加固可以將破碎圍巖的裂隙充填粘結,掘進工作面前方巷道頂板得以有效控制,巷道圍巖整體穩定性變好,進一步提高錨桿(索)預緊力的擴散效果,顯著減小破碎圍巖的變形位移,為沖擊煤層破碎圍巖巷道安全掘進創造了良好條件,可為類似條件的沖擊煤層巷道掘進提供借鑒。