李 釗,金兆濤,聶利亞,周海貞

(濟寧浩珂礦業(yè)工程設備有限公司,山東濟寧 272104)

極軟煤層大采高綜采化學注漿控制片幫冒頂技術

李 釗,金兆濤,聶利亞,周海貞

(濟寧浩珂礦業(yè)工程設備有限公司,山東濟寧 272104)

Technology of Roof Falling and Coal Sliding Prevention of Large-m in ing-height Fully-mechan izedM in ing Face in Extremely Soft Coal Seam

為了解決趙莊煤礦在極軟較厚不穩(wěn)定煤層條件下采用 4.5m大采高綜采一次采全高工藝,實施過程中出現(xiàn)的大面積煤壁片幫和端面冒頂?shù)募夹g難題,針對性地提出化學漿液預注漿控制工作面煤壁片幫和空頂區(qū)頂板垮冒技術,并針對不同片幫冒頂形式合理設計注漿技術方案,采取分步實施的動態(tài)施工工藝,保證了工作面的安全高效回采。

極軟較厚煤層;大采高綜采;化學注漿;片幫;冒頂

趙莊煤礦屬于晉煤集團新建礦井,位于沁水煤田東南部,主采 3號煤層,煤層總厚 4.4～4.7m,平均 4.5m,煤層傾角 1～12°,平均 8°。煤層硬度系數(shù) f=0.4～1.32。內(nèi)生裂隙發(fā)育,參差狀及貝殼狀斷口。煤層從上往下松軟 (裂隙發(fā)育,破碎)→較硬 (裂隙發(fā)育小,有一定整體性)→松軟(裂隙發(fā)育,破碎),整體表現(xiàn)質(zhì)軟、疏松。主要為線理狀、條帶狀、層狀結構,有時可見均一狀結構,塊狀結構。直接頂為 3.6m左右的砂質(zhì)泥巖,部分區(qū)域為泥巖或細粒砂巖互層,層理發(fā)育,巖體穩(wěn)定性較差。泥巖底板,質(zhì)硬,斷口平坦厚層狀,巖石較完整,區(qū)內(nèi)穩(wěn)定,起伏變化小。采用走向長壁一次采全高采煤法,后退式開采,頂板控制為自然垮落法?；夭晒ぷ髅嫜孛簩幼呦虿贾?可采長度890m,傾斜寬度 219 m。該工作面煤層超前支承壓力顯著影響區(qū)為 15～20m,支承壓力峰值點位置在煤壁前方 8m左右,煤體卸壓帶寬度為 3m,應力集中系數(shù)為 1.6。

在開采過程中,由于煤軟、頂板碎等開采條件,工作面極易發(fā)生大面積片幫和端面冒頂,使得高能力的采面裝備不能發(fā)揮經(jīng)濟效益,并嚴重影響工作面的安全生產(chǎn),使回采無法正常進行,工作面的煤壁和頂板控制問題成為安全生產(chǎn)技術的關鍵。

1 工作面頻繁片幫冒頂原因分析

(1)地質(zhì)構造復雜,斷層、隱伏性陷落柱、牽引褶曲、煤層產(chǎn)狀急劇變化、煤系地層沉積形成的鍋底構造、節(jié)理、裂隙等異常地質(zhì)構造影響頻繁。工作面巷道掘進共揭露 8條正斷層,產(chǎn)狀 310～336°∠42～63°,H=1.0～5.6m。并根據(jù)鉆探和坑透結果在工作面內(nèi)撤架通道往北 198m處發(fā)育有一陷落柱DX26,長軸 66m,短軸 50m。

(2)煤層部分地段偽頂厚,頂板砂巖裂縫水弱化頂板巖石強度,造成頂板易破碎,同時煤質(zhì)較軟,煤層易片幫。

(3)采高較大,回采期間煤層頂板及煤壁壓力大,裂隙發(fā)育處頂板易破碎、塌頂,煤質(zhì)軟硬發(fā)育不均,容易片幫。

(4)受巖層產(chǎn)狀影響,工作面傾斜仰采區(qū)域較多,工作面往西往北方向煤巖層均為上山,局部段仰角達到 12°,割煤后的煤壁微前傾,頂部煤體自身重力形成指向采空區(qū)的分力,工作面煤壁穩(wěn)定性隨仰采角度增大而降低,容易誘發(fā)片幫。

(5)工作面由于停產(chǎn)造成推進速度緩慢,引發(fā)采動應力集中,煤壁支承壓力增大,裂隙進一步發(fā)育,直至片幫垮落。

(6)工作面頂煤松軟、穩(wěn)定性差。在頂板以下 2～2.5m范圍內(nèi)煤體明顯比底煤穩(wěn)定性差。頂部煤體片幫后,造成局部空頂,又成為冒頂誘因。

2 片幫冒頂?shù)男问胶推茐臓顩r

回采過程中在煤層上半部區(qū)域裂隙、節(jié)理處均有不同程度的片幫。通過現(xiàn)場觀察總結,表現(xiàn)為以下幾個方面:

(1)頂部煤體呈大塊狀整體滑落、片幫。片幫角度 40～60°,深度 1～3m。造成端面空頂距加大,架前頂板大面積懸空暴露,處于失控狀態(tài)。在較短時間內(nèi)直接頂巖層垮落,發(fā)生架前冒頂。

(2)片冒區(qū)域的煤體裂隙呈劈裂狀分布,并非層狀裂隙展布。工作面破碎區(qū)從煤壁揭露情況看,垂直、傾斜裂隙遠比水平裂隙多,裂隙分割的煤壁多呈塊狀分布,特別是重點控制的高度在2.5m以上的軟弱破碎區(qū)域。

(3)現(xiàn)煤層屬于爬坡開采,溜槽、架子都呈一定的角度上仰,進刀后,更容易引發(fā)頂部煤體大面積失穩(wěn)、片狀滑落。

通過現(xiàn)場總結分析,對 1304工作面破壞形式按照區(qū)域劃分進行分析:

區(qū)域 1 破碎頂板地段 (機頭位置 3～15號架)在機頭位置,由于頂板破碎,頂煤片幫后,隨即引起頂板冒落。片幫角度 40～60°,深度 1～3m。頂板冒頂高度達到 1～3m,冒落寬度最大達到8m。

區(qū)域 2 頂部片幫地段 (中間位置 20～95號架)工作面中間段,片幫形式主要是頂煤片落,在工作面形成傾斜面后區(qū)域穩(wěn)定,片幫寬度基本為2～4個支架寬度,深度為 1.5m左右。

區(qū)域 3 大塊失穩(wěn),劈裂滑移地段 (機尾局部位置 95～115號架),通過對機尾段割煤時現(xiàn)場跟蹤觀察發(fā)現(xiàn),機尾位置的片幫形式為:一次片幫后,在前方 2～3m位置煤體中存在劈裂滑移面,在割第 1刀煤后,由于其滑移段煤體寬度較大,在工作面還不至于引起片落,當割第 2刀煤后,如不實施注漿固化,即可引起片落。這一顯現(xiàn)通過在此段割煤后,存留在注漿封孔器前方的呈劈裂狀分布的漿液 (漿脈厚度達到 8～25mm,且非紋理狀展布)情況得到證實。

3 治理方案及其控制措施

3.1 注漿控制技術方案

根據(jù)工作面開采情況,為減少片幫冒頂對生產(chǎn)造成的安全隱患,對其進行加固治理。提出以下綜合分步實施的圍巖強化控制技術方案:破碎頂板區(qū)域以單排眼挑頂方式固化頂板圍巖注漿為主;頂部片幫區(qū)域以破碎煤體均勻注漿粘接固化為主;劈裂滑移區(qū)域以注漿管錨注整體穩(wěn)固煤幫為主。頂部片幫區(qū)域注漿鉆孔布置位置見圖 1。其他區(qū)域參照表1的技術參數(shù)進行布置。

圖 1 頂部片幫區(qū)域注漿鉆孔布置位置

針對工作面 3種典型破壞方式,采用不同注漿鉆孔布置方式。注漿加固參數(shù)見表 1。

具體施工方案為:用煤電鉆打孔,封孔器(長 2.5m)封孔,利用專用注漿泵,通過注漿泵的高壓力,使馬麗散材料充分注人煤層內(nèi)以加固破碎煤巖體。為方便施工,打孔和注漿可按照單雙號間隔跳孔實施。單孔注漿結束標準為:達到設計注漿壓力,并穩(wěn)壓 3min以上;雖未達到注漿壓力,但周邊煤壁溢漿嚴重;注漿過程中發(fā)現(xiàn)異常情況,及時停泵。注漿施工工藝流程:打眼→安裝注漿管→高壓管連接注射槍和注漿泵→把吸管分別插入樹脂和催化劑桶→開泵注漿→沖洗機具→停泵拆卸注射槍。注漿系統(tǒng)設備及工藝見圖 2。

表 1 工作面注漿加固注漿技術參數(shù)

3.2 注漿加固材料及工藝

高分子化學加固材料——馬麗散是由 2種組分組成 (樹脂和催化劑)的聚亞膠脂注漿材料,用于煤巖體的加固。產(chǎn)品的黏結強度高,機械性能優(yōu)異,能夠與煤巖體產(chǎn)生高度黏合。材料在注入到煤巖體裂隙中后,低黏度的混合物可以保持 20～60s左右的液體狀態(tài),在擴散一定范圍后反應結束,在煤巖體裂縫內(nèi)反應、硬化,與煤巖體膠結,達到快速加固煤巖體的目的。其技術數(shù)據(jù)見表 2。

3.3 現(xiàn)場出現(xiàn)的問題及采取的措施

(1)工作面機頭三角區(qū)的穩(wěn)固對防止工作面端頭片幫冒頂具有重要影響。為此在實施過程中對此區(qū)域進行了重點控制,對于機頭三角區(qū)進行密集注漿,布置2排注漿鉆孔,孔間距2.5m,下排注漿孔固化頂煤,上部注漿孔增加高度,盡量保證馬麗散擴散到頂板區(qū)域。機尾三角區(qū)域基本穩(wěn)定,未注馬麗散。

表2 馬麗散N漿液及固化物技術數(shù)據(jù)

圖2 雙液化學注漿系統(tǒng)設備及工藝

(2)運輸巷受壓力影響收斂變形嚴重,需進行臥底、刷幫才能保證端頭支架推移,嚴重影響工作面推進速度,為此采用巷道內(nèi)超前平行孔注漿加固。在機頭運輸巷,按照 15m1個循環(huán)布置 1排注漿孔,提前對該區(qū)域進行控制?？咨?7m,由于此段煤體破碎,為防止返漿,封孔深度 3m。

(3)若煤質(zhì)較硬、頂板條件變好時,即使小范圍發(fā)生片幫,通過使支架頂梁適當上仰接頂,控制好采高,一般可以正常推進通過。在回采時控制采高,超前移架,配合單體帶壓移架,保證支架初撐力,超前支護頂板。局部位置可降低采高,保證支架支撐頂板效果。

(4)通過現(xiàn)場實施發(fā)現(xiàn)漿液從鉆孔和封孔器之間或鉆孔附近煤體裂隙中滲透、冒出,要根據(jù)煤體裂隙發(fā)育情況,合理地確定封孔器埋設的深度。針對煤壁比較完整地段,封孔深度為 2～2.5m。針對片冒后形成斜坡區(qū)域封孔深度適宜為 3～3.5m。并且埋設前將封孔器下到位置后前后抽動以保證將孔內(nèi)的煤粉塊清理干凈,保證封孔器橡膠套管膨脹后與孔壁結合緊密。對大量返漿采取了封堵措施和停泵穩(wěn)定后再進行注漿的處理措施。要重新布孔重新注漿,確保注漿效果。

(5)廢孔補充注漿。對于注漿后返漿嚴重的鉆孔,在停注馬麗散后,需在其附近補打 1個鉆孔補充注漿。

(6)根據(jù)圍巖狀況加固,保證施工安全,節(jié)約漿液消耗。每一次注漿參數(shù)應參考以往圍巖地質(zhì)情況注漿后的效果及時調(diào)整。

4 控制效果

(1)通過鉆孔窺視,對漿液在工作面煤壁內(nèi)圍巖裂隙中的分布情況及對軟弱面、劈裂滑移面和破碎圈等的膠結固化情況進行觀測檢驗,窺視結果(見圖 3～圖 6)表明:注漿施工對圍巖裂隙進行了有效充填,漿液滲透到破碎煤巖體內(nèi)部,形成了較完整密實的漿液固結體,煤巖體裂隙、滑移面內(nèi)形成了完整而致密的充填層。漿液通過注漿擴散,在圍巖裂隙中,枝狀漿脈相互交叉形成韌性網(wǎng)狀結構,增加了煤體的整體結構和承載能力。

圖3 40號支架距頂 1.5m處破碎情況

圖 4 103號支架距頂2m處劈裂面情況

圖 5 45號支架距頂 1.5m處漿液擴散效果

圖 6 98號支架距頂2m處漿液擴散效果

(2)割煤后,漿液擴散區(qū)域煤壁齒痕明顯,并能觀察到馬麗散漿脈擴散后膠結煤體的情況。在煤壁加固后,整體性、強度等都有明顯提高,基本上有效避免了大面積片冒,安全性大大提高。

(3)通過注漿維護,整個工作面基本穩(wěn)定,片幫冒頂顯現(xiàn)明顯減少,僅為 2～3架寬度的小范圍片幫,無冒頂顯現(xiàn),基本不影響割煤。

(4)由于機尾段比較特殊,滑移區(qū)域存在初期穩(wěn)定,割煤進刀滑移煤塊整體錯動失穩(wěn)片幫現(xiàn)象,因此,在第 1循環(huán)注漿后割煤進尺 2刀,再次插花進行打孔注漿,利用新的注漿鉆孔將上一循環(huán)注漿的固結煤體串聯(lián)起來。這樣,采用此邁步式注漿方式基本可以解決機尾煤壁的滑移片幫問題。

5 結束語

通過本次極軟較厚不穩(wěn)定煤層大采高綜采片幫冒頂化學注漿控制實踐,得出以下結論:

(1)提出化學注漿控制煤壁和頂板,保障回采安全及綜合分步實施的圍巖強化控制技術方案證明:馬麗散化學注漿加固技術應用于極軟較厚不穩(wěn)定煤層大采高綜采片幫冒頂化學注漿控制效果顯著。加固材料在破碎煤巖體內(nèi)部形成網(wǎng)狀整體,能夠有效提高破碎煤巖體的完整性。并用動態(tài)過程控制技術指導施工,順利解決了片幫冒頂問題。

(2)針對不同的片冒形式,結合化學注漿理論及工程經(jīng)驗,合理確定注漿加固方案、施工工藝及技術參數(shù),為今后類似困難條件下頻繁片冒的不穩(wěn)定煤層開采積累了技術經(jīng)驗。

(3)化學注漿加固材料反應性能優(yōu)異,固化時間快,設備簡單,操作快捷,可滿足快速施工,快速處理,安全高效的生產(chǎn)需要。

(4)通過化學注漿對工作面煤壁和頂板發(fā)生破壞后,對其破壞程度的繼續(xù)發(fā)展起到控制作用,為下一循環(huán)割煤起到預防治理。簡化了煤壁和頂板管理工序,為加快推進速度,實現(xiàn)高產(chǎn)高效創(chuàng)造了有利條件。

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[責任編輯:王興庫]

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1006-6225(2010)06-0057-04

2010-10-02

李 釗 (1984-),男,陜西寶雞人,工程師,現(xiàn)從事煤礦高分子化學注漿材料及工程應用。