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        厚偽頂區(qū)沿底巷道安全掘進(jìn)技術(shù)研究

        2021-02-07 08:33:20吳佐偉
        山東煤炭科技 2021年1期
        關(guān)鍵詞:頂煤錨索裂隙

        吳佐偉

        (晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè),山西 晉城 048000)

        1 工程背景

        趙莊煤業(yè)三盤區(qū)3307 工作面開采3#煤層,平均厚度5.5 m,設(shè)計(jì)開采長(zhǎng)度904 m,傾向?qū)挾?10 m。設(shè)計(jì)兩條順槽,33071 巷和33072 巷,一條進(jìn)風(fēng)一條回風(fēng),目前正在掘進(jìn)回采巷道。

        33072 巷在煤層內(nèi)掘進(jìn),設(shè)計(jì)寬度為5 m,高度為4.5 m,原設(shè)計(jì)沿煤層頂板掘進(jìn)。3#煤層上方有一層0.2~2 m 厚的泥巖偽頂,薄層狀,極破碎,隨掘隨冒,正常區(qū)域偽頂平均厚度0.4 m,直接頂為6 m 厚細(xì)粒砂巖,為穩(wěn)定巖層。

        33072 巷頂板采用全錨索支護(hù),錨索長(zhǎng)度5.4 m,排距1.2 m,每排5 根,間距1.15 m。進(jìn)入掘進(jìn)進(jìn)度240 m 位置時(shí),泥巖偽頂區(qū)域變厚,鉆探得到前方60 m 長(zhǎng)度泥巖偽頂厚度約1.5 m,為異常區(qū)域。如果繼續(xù)沿煤層頂板掘進(jìn),必然導(dǎo)致巷道偽頂冒落形成超高區(qū),影響后期回采安全。因此,前方60 m范圍改為沿煤層底板掘進(jìn),留1 m 厚頂煤,用以維護(hù)泥巖偽頂,如圖1。但3#煤層裂隙發(fā)育,強(qiáng)度僅比偽頂略高,在掘進(jìn)超前壓力作用下容易發(fā)生破壞變形,巷道掘進(jìn)面臨極大的冒頂風(fēng)險(xiǎn),必須采取加固措施,保障安全掘進(jìn)。

        圖1 巷道掘進(jìn)方式示意圖

        2 工程特性分析

        33072 巷治理加固分為兩個(gè)階段:(1)安全掘進(jìn)階段,對(duì)前方煤體和頂板進(jìn)行預(yù)注漿加固,防止掘進(jìn)期間發(fā)生冒頂;(2)掘進(jìn)后頂板二次注漿和支護(hù),對(duì)頂板形成的裂隙進(jìn)行填充,并將注漿后完整巖體進(jìn)行強(qiáng)力支護(hù),維護(hù)巷道頂板長(zhǎng)期穩(wěn)定。

        掘進(jìn)頭前方一定距離為動(dòng)壓影響區(qū),影響深度約5 m,此范圍內(nèi)裂隙快速發(fā)育,越靠近表面裂隙發(fā)育程度越高。掘進(jìn)頭開挖后,由于支護(hù)需要滯后一定距離,頂板暴露處于無(wú)支護(hù)狀態(tài),受拉作用明顯,撓曲下沉,進(jìn)一步發(fā)展為離層冒落。因此,掘進(jìn)頭注漿加固深度不宜過(guò)大,且必須提高頂板抗拉能力,要求注漿材料具備較高的粘結(jié)強(qiáng)度。建議采用馬麗散化學(xué)漿,將裂隙煤巖緊密粘結(jié)在一起,并利用鋼管等機(jī)械方式提高對(duì)頂板的承托作用。

        掘進(jìn)后頂板采用錨索支護(hù),在掘進(jìn)后到支護(hù)前時(shí)間差內(nèi),松軟頂煤和偽頂再次發(fā)生離層,內(nèi)部產(chǎn)生大量裂隙。如果不進(jìn)行注漿,井下潮濕環(huán)境下,風(fēng)和水沿裂隙進(jìn)入頂板內(nèi)部,持續(xù)風(fēng)化作用導(dǎo)致破碎程度加劇,錨索錨固力衰減,最終造成支護(hù)失效,頂板嚴(yán)重變形。掘進(jìn)后頂板可以采用注漿錨索,注漿作用以充填為主,注漿量大,建議采用水泥類無(wú)機(jī)材料,節(jié)約成本。

        3 “掘進(jìn)前預(yù)注+滯后注漿錨索”實(shí)施方案

        3.1 掘進(jìn)前預(yù)注

        3.1.1 鉆孔布置

        加固對(duì)象為掘進(jìn)頭前方一定范圍內(nèi)的頂煤和偽頂。鉆孔設(shè)計(jì)一排,均垂直于巷道傾向,每排3個(gè)鉆孔,開孔高度距離頂板1 m,孔深8 m,終孔位置進(jìn)入細(xì)粒砂巖層垂深1 m,孔徑42 mm,仰角35°。采取循環(huán)注漿方式,每3 m 一個(gè)循環(huán),每注1 個(gè)循環(huán),掘進(jìn)3 m,再注1 個(gè)循環(huán),再掘進(jìn)3 m,交替進(jìn)行。鉆孔布置平面圖如圖2(a),剖面圖如圖2(b)。

        圖2 掘進(jìn)前預(yù)注鉆孔布置示意圖

        3.1.2 注漿材料

        采用馬麗散化學(xué)漿注漿材料,為雙組分材料,A 組分主要成分為異氰酸酯,B 組分主要成分為多元醇,使用體積比1:1,主要性能如下:

        (1)反應(yīng)速度快。混合后維持液態(tài)45 s 左右,充分?jǐn)U散,之后逐漸稠化,85 s 左右反應(yīng)完畢完全硬化,能防止漏漿。

        (2)粘結(jié)能力強(qiáng)。進(jìn)入煤巖體微裂隙后緊密粘合,實(shí)測(cè)與煤巖體粘結(jié)強(qiáng)度大于2 MPa,無(wú)機(jī)注漿材料難以實(shí)現(xiàn)。

        (3)韌性高。固結(jié)體內(nèi)聚力1.7 MPa,內(nèi)摩擦角38.6°,抗拉強(qiáng)度3.4 MPa,抗壓強(qiáng)度6.5 MPa,受拉彎曲不折斷,無(wú)機(jī)材料難以實(shí)現(xiàn)。

        3.1.3 注漿管及注漿壓力

        注漿管:本次采用直徑26 mm 的DN20 無(wú)縫鋼管,長(zhǎng)度2 m/根,采用4 根,絲扣連接,最里端1根孔身開花孔,有利于漿液擴(kuò)散,孔口棉紗封孔,長(zhǎng)度200~500 mm。

        注漿參數(shù):注漿終止壓力4~6 MPa,由于頂煤和偽頂強(qiáng)度低,注漿壓力過(guò)大會(huì)造成頂板擠壓松動(dòng),注漿過(guò)程中時(shí)刻注意頂板狀況,出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)停泵換孔。

        3.2 滯后注漿錨索

        3.2.1 注漿錨索布置方式

        將原來(lái)部分普通錨索替換為注漿錨索,長(zhǎng)度仍為5.4 m,原普通錨索每排5 根,間距為1.15 m,排距為1.2 m,注漿錨索“五花”布置,第一排替代第1 根、第3 根、第5 根,第二排替代第2 根、第4 根,交替布置,所有錨索均垂直于頂板。注漿錨索布置方式如圖3。

        3.2.2 注漿錨索實(shí)施方式

        (1)打孔。設(shè)計(jì)錨索外露200 mm,則鉆孔深度5200 mm,垂直孔施工,采用錨索鉆機(jī),32 mm鉆頭,成孔后孔口1 m 頂煤段采用42 mm 鉆頭擴(kuò)孔。

        (2)錨索安裝錨固。采用1 支快速樹脂藥卷和1 支中速樹脂藥卷,錨索送入孔底,攪拌錨固。

        (3)封孔與張拉??卓? m 擴(kuò)孔段采用棉紗封孔,可采用1 根直徑比錨索略大的空心鋼管,套在錨索上往里推送棉紗,搗實(shí),然后上鎖具、托盤進(jìn)行張拉。注漿錨索安裝結(jié)構(gòu)如圖4。

        圖3 注漿錨索布置方式示意圖(單位:mm)

        圖4 注漿錨索安裝結(jié)構(gòu)示意圖

        (4)注漿。采用耐固注漿材料(雙液),水灰比1:1,采用2ZBQ50/19 氣動(dòng)注漿泵,通過(guò)特制注漿頭連接注漿錨索進(jìn)行注漿。注漿終止壓力6~8 MPa,漏漿嚴(yán)重時(shí)可適當(dāng)減低注漿終止壓力至4~6 MPa。

        3.2.3 耐固注漿材料(雙液)

        為防止注漿過(guò)程中漏漿無(wú)法封堵造成注漿失敗,本次采用的耐固注漿材料(雙液)為一種速凝早強(qiáng)型注漿加固材料[1-2]。

        該材料為雙組分材料,固態(tài)粉末,A 組分主要成分為硫鋁水泥,B 組分主要成分為二水石膏,使用水灰比1:1,A 和B 體積比1:1,主要性能如下:

        (1)反應(yīng)速度快。混合后60 s 良好流動(dòng)性,能夠在裂隙中充分?jǐn)U散,90~120 s 失去流動(dòng)性,發(fā)生漏漿后能夠自行快速凝固封堵,克服了普通水泥凝固速度慢、漏漿難以處理的缺點(diǎn),提高注漿量。

        (2)強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速。10 min 左右漿液完全固化,2 h 強(qiáng)度10 MPa 以上,1 d 強(qiáng)度16~18 MPa。

        (3)價(jià)格相對(duì)低廉。馬麗散約1.5 萬(wàn)元/t,耐固注漿材料(雙液)約3000 元/t,配合1:1 水灰比,漿液成本約1500 元/t,約為化學(xué)漿的1/10。

        3.2.4 注漿壓力

        注漿參數(shù):注漿終止壓力6~8 MPa。注漿過(guò)程中時(shí)刻注意頂板狀況,出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)停泵換孔。

        4 工程量及效果考察

        4.1 工程量

        實(shí)施長(zhǎng)度60 m,掘進(jìn)前預(yù)注期間共施工21 個(gè)循環(huán),每個(gè)循環(huán)3 個(gè)鉆孔,孔深8 m,累計(jì)進(jìn)尺504 m,平均單孔注漿量1.2 t,換算每米巷道注漿量1.2 t。滯后注漿錨索實(shí)施期間,共施工125 根注漿錨索,平均單根錨索注漿量0.8 t,換算每米巷道注漿量1.6 t。

        4.2 效果考察

        預(yù)注后掘進(jìn),頂煤和頂板形成一個(gè)完整整體,可見大量漿液痕跡,注漿鋼管穩(wěn)定懸吊在頂板上,未發(fā)生冒頂現(xiàn)象,安全通過(guò)。巷道掘進(jìn)5 個(gè)月后,在頂板施工鉆孔進(jìn)行窺視,可見大量漿液,淺部分布較多,深部分布較少,未發(fā)現(xiàn)新的離層,如圖5,表明巷道掘進(jìn)后頂板未發(fā)生明顯變形,已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

        圖5 頂板鉆孔窺視圖

        5 結(jié)論

        (1)依據(jù)頂板為軟弱頂煤和偽頂?shù)墓こ烫匦?,制定了“掘進(jìn)前預(yù)注+滯后注漿錨索”實(shí)施方案。掘進(jìn)前預(yù)注采取淺孔循環(huán)注漿方式,高粘結(jié)性的馬麗散化學(xué)注漿材料,滯后注漿錨索采用速凝早強(qiáng)、成本更低的耐固注漿材料(雙液)。

        (2)效果考察表明,預(yù)注后掘進(jìn),頂煤和頂板形成一個(gè)完整整體,未發(fā)生冒頂現(xiàn)象,安全通過(guò)。掘進(jìn)5 個(gè)月后進(jìn)行頂板鉆孔窺視,未發(fā)現(xiàn)新的離層,表明巷道掘進(jìn)后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

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