李朋朋

(山西晉煤集團(tuán)澤州天安海天煤業(yè)有限公司, 山西 晉城市 048000)

煤炭資源作為我國的主體能源,為我國工業(yè)的長足發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)[1]。根據(jù)中國工程院《中國煤炭清潔高效可持續(xù)開發(fā)利用戰(zhàn)略研究》最新成果預(yù)測(cè):2020年、2030年和2050年三個(gè)節(jié)點(diǎn)上,我國煤炭需求量分別為39~44億t、45~51億t和38億t,仍然需要大量的煤炭來保障我國國民經(jīng)濟(jì)的良好、健康發(fā)展。煤炭是非常寶貴的一次性能源,我國大型礦區(qū)煤炭回采率為30%~40%,而小型煤礦的回采率低于10%,低回采率在煤炭開發(fā)過程中造成了資源大量浪費(fèi)[2],當(dāng)然煤炭資源在開發(fā)利用的過程中也造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞,影響著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展[3-4]。

山西煤炭開采歷史悠久,受開采技術(shù)、裝備水平的限制,大部分小煤礦一直沿用刀柱采煤法,加之亂采濫挖現(xiàn)象嚴(yán)重,資源回收率低至30%以下,造成煤炭資源的極大浪費(fèi)。2009年山西省對(duì)全省煤炭資源開始了兼并重組,但兼并重組后,很多煤礦企業(yè)將小煤礦重組前遺留的煤炭資源棄采,不僅嚴(yán)重浪費(fèi)了大量煤炭資源,而且也不利于我國煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。主要原因是傳統(tǒng)采煤方法導(dǎo)致遺留了大量的殘采區(qū)域、廢巷[5-7],這些殘采區(qū)域和廢巷的賦存情況很復(fù)雜,且有積水、大量氣體積聚,如果回采之前不加以處理,可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的頂板和瓦斯爆炸等事故[8-9],因此,深入研究廢巷的治理方法,不僅可以回收大量煤炭資源,還可以保證安全開采,增加經(jīng)濟(jì)效益。

1 礦井概況

海天煤業(yè)有限公司礦井核定生產(chǎn)能力為0．6 Mt/a,批準(zhǔn)開采3號(hào)、9號(hào)、15號(hào)煤層,目前,本礦井采用分層綜采法開采3號(hào)煤層,煤層厚度為5．60~8．86 m,平均厚度6．40 m,煤層傾角2°~6°,煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖,基本頂為中砂巖,直接底為泥巖。海天煤業(yè)重組前采用落后的高落式采煤工藝,直接導(dǎo)致礦井3號(hào)煤層中遺存有大量的廢巷,而且這些廢巷分布毫無規(guī)律、雜亂無章,賦存情況非常復(fù)雜,使本來容易開采的優(yōu)質(zhì)無煙煤資源變得支離破碎,很難布置一個(gè)完整的現(xiàn)代化綜采面。目前,礦井正在開采六盤區(qū),在3616,3617回采工作面遺留有3條廢煤巷,由于3號(hào)煤層下覆9號(hào)和15號(hào)煤層已回采結(jié)束,使3號(hào)煤層的3條廢巷及聯(lián)絡(luò)巷受到采動(dòng)影響而發(fā)生一定變形,3616工作面廢巷分布如圖1所示。9號(hào)煤層采高1．5 m,9號(hào)煤層與廢巷間的垂向距離為45 m,15號(hào)煤層距離3號(hào)煤層至少80 m。3條廢巷和聯(lián)絡(luò)巷寬度均在3~5 m之間,間距在15~20 m之間,廢巷已被垮落的巖石充填,廢巷直接影響了3616工作面的正常回采,其影響區(qū)域長度大約110 m,最大寬度約50 m。

圖1 3616工作面廢巷分布

2 廢煤巷賦存情況

9號(hào)和15號(hào)煤層的回采擾動(dòng)直接導(dǎo)致了廢巷的垮落,而垮落后的存在狀態(tài)對(duì)回采方案的制定具有重要影響,為了搞清廢巷垮落區(qū)域及垮落后的波及范圍和對(duì)廢巷頂板的影響程度,在3616回采工作面上分層進(jìn)風(fēng)巷與煤壁垂直方向開挖一條巷道用于探測(cè),該巷道簡稱探測(cè)巷,其斷面為2 m×2 m,如圖2所示,探測(cè)巷從3616上分層進(jìn)風(fēng)巷以20°仰角向上山掘進(jìn),掘進(jìn)至直接頂后沿直接頂?shù)捻敯寰蜻M(jìn)平巷,直至到達(dá)廢巷垮落區(qū)域。探測(cè)巷施工完成后,對(duì)探測(cè)巷揭露出的情況進(jìn)行認(rèn)真勘查、分析后發(fā)現(xiàn),廢巷的基本頂基本完整,直接頂基本垮落,但其自然而然的形成了比較規(guī)則的垮落拱,在基本頂與垮落矸石之間沒有形成較大的、連續(xù)的垮落空間,只存在有100~300 mm的空隙。

圖2 探測(cè)巷剖面圖

由于直接頂保存基本完整,垮落的巖石充填了廢巷,加之巖石的碎脹作用有限,因此,從理論上來說,可以推斷出廢巷底板發(fā)生了一定程度的底鼓。最終的實(shí)測(cè)結(jié)果也顯示3號(hào)煤層巷道變形過程中確實(shí)出現(xiàn)了底鼓現(xiàn)象,平均底鼓量660 mm,最大底鼓量達(dá)788 mm,這種底鼓現(xiàn)象的出現(xiàn)是9號(hào)和15號(hào)煤層采動(dòng)影響且廢巷底板是軟弱巖層共同作用的結(jié)果。

3 廢巷的治理

3616回采工作面廢巷情況比較復(fù)雜,要在垮落區(qū)域進(jìn)行注漿加固存在一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),即如何保證破碎區(qū)鉆孔成孔和鉆孔完工后注漿過程中漿液不泄露。大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,鉆孔在穿過破碎區(qū)的矸石時(shí)經(jīng)常遇到鉆進(jìn)困難的情況,如排渣困難、卡鉆、抱鉆和掉鉆,或者在鉆進(jìn)過程中由于應(yīng)力的變化導(dǎo)致鉆桿扭斷;此外,還可能出現(xiàn)成孔難、成孔率低的問題。再者,由于掘進(jìn)新巷道時(shí)揭露了這些廢巷,連通的垮落區(qū)與巷道將構(gòu)成漏漿通道,如果不采取積極有效的堵漏措施,破碎區(qū)可能得不到有效的加固。

3．1 治理方案

為解決打鉆過程中成孔難的問題,采取分次注漿成孔的方法,先采用直徑133 mm的鉆頭鉆進(jìn)3 m,然后退鉆并下套管。該套管由2節(jié)長度1．5 m、直徑108 mm的套管組成,如圖3所示。套管外端有耐高壓法蘭,法蘭盤外有法蘭蓋密封,注漿管由焊接在法蘭蓋上的截止閥連接,下完套管后,安裝好法蘭蓋并連接截止閥開始注漿,這樣就可以保證套筒周邊嚴(yán)格密封。注漿材料應(yīng)選用水灰比大且流動(dòng)性好的水泥注漿材料。待漿液凝固后(大概30 min),換用小直徑鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn),如果遇到卡鉆、排渣困難等現(xiàn)象時(shí)立即退鉆,并進(jìn)行注漿,目的在于加固鉆孔異常區(qū)域。待漿液凝固后繼續(xù)施工鉆孔,直至鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度為止,完成破碎區(qū)的注漿工作。

圖3 注漿套管示意

3．2 鉆孔布置

為了有利于排渣并盡可能加固頂板巖石,鉆孔應(yīng)設(shè)置一定的仰角,一般為3°~6°。為了檢驗(yàn)注漿的效果,在首次注漿完成后,需要設(shè)置檢驗(yàn)孔,檢驗(yàn)鉆孔與巷道中線的傾斜方向應(yīng)該與注漿鉆孔相反,目的在于擴(kuò)大對(duì)注漿孔注漿效果的檢驗(yàn)范圍。如果檢驗(yàn)鉆孔鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)排渣困難、卡鉆等情況時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)注,注漿鉆孔及檢驗(yàn)鉆孔布置如圖4所示,鉆孔參數(shù)見表1、表2。

表1 注漿鉆孔參數(shù)

表2 檢驗(yàn)鉆孔參數(shù)

圖4 注漿鉆孔及檢驗(yàn)鉆孔布置

3．3 注漿材料及設(shè)備

本次注漿采用硫鋁酸鹽水泥熟料、石膏、生石灰及復(fù)合添加劑組成。注漿前,在實(shí)驗(yàn)室采用正交試驗(yàn)方法,確定了主料、輔料種類及摻量大小,并試驗(yàn)了不同水灰比對(duì)材料性能的影響(見表3和圖5)。

表3 水灰比對(duì)材料性能的影響

圖5 水灰比對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響

由表3和圖5可以看出:

(1)隨著水灰比增大,單位體積的用料量降低,注漿材料的密度也減小,其終凝時(shí)間卻在不斷延長。

(2)隨著水灰比的增大,材料在相同齡期的強(qiáng)度減小的趨勢(shì)較大。

遇到堵漏、加固孔口和鉆進(jìn)異常時(shí),應(yīng)采用較小的水灰比,在較短時(shí)間內(nèi)固化,以節(jié)省施工時(shí)間;在加固破碎區(qū)矸石時(shí)應(yīng)采用較大水灰比,因?yàn)闈{液流動(dòng)性能好,凝結(jié)時(shí)間長,擴(kuò)散的范圍也大,而且單位體積用料少,節(jié)約成本。

注漿設(shè)備包括由攪拌桶、注漿泵和管路組成,注漿泵采用雙液注漿泵,額定壓力17 MPa,額定流量120 L/min。攪拌桶選用容積為300 L的氣動(dòng)攪拌桶。注漿壓力不小于8 MPa。

4 工程應(yīng)用效果分析

廢巷區(qū)域共施工鉆孔26個(gè),其中檢驗(yàn)鉆孔8個(gè),注漿孔18個(gè),累計(jì)總注漿量達(dá)250 t。由于廢巷周圍裂隙發(fā)育、空洞豐富,為了節(jié)約成本,以多性能注漿材料為主,粉煤灰基充填材料為輔。注漿過程中發(fā)現(xiàn),第一個(gè)鉆孔消耗注漿材料46 t、粉煤灰基充填材料38 m3,說明內(nèi)部空洞、孔隙、裂隙極其發(fā)育,具有注漿量大、注漿壓力小、耗材多等特點(diǎn)。而且在首輪注漿孔鉆進(jìn)過程中,出現(xiàn)了多次卡鉆、掉鉆等現(xiàn)象,為此增加了注漿成孔的次數(shù),在后續(xù)鉆進(jìn)過程中異?，F(xiàn)象明顯減少。在成孔后向破碎區(qū)注漿過程中,采取調(diào)整漿液水灰比并采取封堵措施后,未出現(xiàn)大范圍漏漿的現(xiàn)象,注漿終壓達(dá)到了8~10 MPa。檢驗(yàn)孔施工過程較為順利,相對(duì)于注漿鉆孔而言,卡鉆、排渣困難等異?，F(xiàn)象明顯減少。

在后續(xù)回采過程中發(fā)現(xiàn),廢巷垮落的矸石加固很充分,割煤后形成的切割面也比較平整,幾乎沒有片幫發(fā)生。對(duì)比注漿前后鉆孔,效果如圖6所示。

圖6 廢巷治理效果

5 結(jié) 論

(1)通過掘進(jìn)探測(cè)巷發(fā)現(xiàn),在下覆煤層開采擾動(dòng)下,廢巷基本頂較完整,但是廢巷被垮落的矸石及巷道底鼓的煤矸石充填。

(2)通過選用新型注漿材料,采用分次成孔的方法,解決鉆孔施工難和成孔難的問題,并對(duì)廢巷破碎區(qū)采用注漿加固的方法治理,取得了很好的效果。