任國(guó)軍

（鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古鄂爾多斯017100）

采掘工作面揭露破碎區(qū)、高應(yīng)力區(qū)和構(gòu)造區(qū)時(shí)，易發(fā)生局部頂板不規(guī)則垮落，產(chǎn)生數(shù)米乃至十?dāng)?shù)米的空頂冒頂區(qū)[1-2]。冒頂區(qū)巖石松散破碎、空頂區(qū)域易積聚甲烷等有害氣體，冒頂區(qū)的處置難度大、危險(xiǎn)性高，一直是工作面安全回采的重大威脅。冒頂區(qū)廣泛存在，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，分析了冒頂區(qū)形成、處置、采掘工作面揭露冒頂區(qū)頂板破斷及礦壓規(guī)律[3-4]，但對(duì)特厚煤層末采階段大范圍冒頂研究較少。

為提高特厚煤層開(kāi)采冒頂區(qū)處置的安全性、經(jīng)濟(jì)性和快捷性，本論文采用理論分析和數(shù)值模擬方法，進(jìn)行特厚煤層綜放末采階段大面積冒頂區(qū)處置研究，摸索冒頂區(qū)處置原則、技術(shù)工藝等技術(shù)難題，提高煤炭資源安全高效回收。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

龍王溝煤礦主采6 號(hào)煤，煤層傾角0°～6.2°，平均傾角2°，平均厚度24.67 m，f=0～1.0，最大埋深436 m，夾矸平均厚度2.78 m，主要有炭質(zhì)泥巖、泥巖和高嶺土。直接頂為泥巖，老頂為粗砂巖。61605 工作面傾斜長(zhǎng)度255 m、走向長(zhǎng)度1 215 m，采用大采高綜采放頂煤工藝開(kāi)采，采高5.1 m、放煤高度19.57 m，放煤步距1.0 m、一采一放，布置119架ZFY18000/28/53D型放頂煤液壓支架。

61605 工作面為“兩巷一線”布置方式，即主運(yùn)順槽、輔運(yùn)順槽及開(kāi)切眼，在停采線位置布置有回撤通道，采用錨網(wǎng)索配合頂板鋼帶聯(lián)合支護(hù)：矩形斷面，凈寬6 300 mm、凈高4 300 mm，凈斷面積28.35 m2。

2 冒頂區(qū)加固充填

工作面現(xiàn)回采到距離回撤通道7 m 左右，工作面10#—39#液壓支架間出現(xiàn)冒頂，冒落高度約20 m，工作面無(wú)法繼續(xù)推移，且安全風(fēng)險(xiǎn)較大。為防止頂板繼續(xù)垮落，保證工作面的安全有序推進(jìn)，此次采用山西凝固力新型材料股份有限公司生產(chǎn)的加固材料和充填材料對(duì)井下冒落區(qū)進(jìn)行加固、充填處理。

2.1 冒頂區(qū)加固充填作用分析

預(yù)注漿充填加固修復(fù)技術(shù)的作用機(jī)理是：修復(fù)頂板損傷，充填空區(qū)，加固破碎冒落頂板，提高其承載能力和對(duì)基本頂?shù)目刂谱饔?；加固煤柱，提高煤柱的承載能力，防止長(zhǎng)懸梁結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，以緩和礦壓顯現(xiàn)。

對(duì)20 m冒頂區(qū)賦存特征分析可知，冒頂區(qū)中上部為空區(qū)，需要采用充填加固控制。通過(guò)向冒頂區(qū)注入FCC 填充材料，該材料在冒頂區(qū)頂板空區(qū)內(nèi)反應(yīng)迅速即時(shí)發(fā)泡、膨脹倍數(shù)高，液體能夠充填到所有縫隙，可以密實(shí)充滿空頂空間，改變巖壁受力狀態(tài)，防止繼續(xù)塑性破碎后冒頂區(qū)范圍的擴(kuò)大。

對(duì)于冒頂區(qū)下部區(qū)域，采用注漿加固處置。FSS加固材料滲透性、流動(dòng)性好，遇水不發(fā)泡，能很好的滲入煤巖層細(xì)小的裂隙中。加固材料與冒頂區(qū)下部垮落碎塊粘合，增大其抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度[5]，可以使冒頂區(qū)下部巖體有較好承載性，使冒頂區(qū)注漿加固更穩(wěn)定。

2.2 冒頂區(qū)加固充填工藝及參數(shù)

（1）對(duì)冒落區(qū)頂板部分進(jìn)行充填加固，加固范圍為10#—39#架，布孔方式如下：采用“單排眼”布孔方式，布置一排鉆孔，鉆孔深度均為5.0 m，對(duì)煤壁及頂板區(qū)域進(jìn)行加固（圖1），開(kāi)孔位置位于頂板下方2 m 處，角度為斜向頂板約60°，孔間距2.05 m，封孔器放在開(kāi)孔1.5 m處，單孔注漿量不少于40桶。

FCC填充材料由AB兩組分材料混合使用，發(fā)泡時(shí)間8 s～10 s，凝固時(shí)間30 s～50 s，膨脹倍數(shù)15～30倍，抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到76 MPa。

圖1 冒頂區(qū)充填加固示意圖

（2）對(duì)冒頂區(qū)下部垮落巖石注漿加固，支架平頂梁到工作面煤壁，擬采用從兩側(cè)向中間逐步充填的方法。

FSS加固材料是由A、B兩種組分的復(fù)合產(chǎn)品，A、B兩組分混合后能迅速反應(yīng)，生產(chǎn)高強(qiáng)度的聚合體。使用時(shí)，將A、B 組分材料按照1：1 的體積比混合均勻后注入煤巖體中。初凝時(shí)間15 s～30 s，固結(jié)體抗壓強(qiáng)度達(dá)到45 MPa。

圖2 冒頂區(qū)注漿加固示意圖

注漿工具：采用2ZBQ-8/10 立體型氣動(dòng)高壓雙液注漿泵設(shè)備完成注漿加固作業(yè)，額定流量8 L/min，額定壓力10 MPa，進(jìn)氣壓力0.2 MPa～0.8 MPa，進(jìn)風(fēng)管路φ19/25 mm，選用4″鋼管做注漿管，選用人字型三通混合器，出漿管選用直徑13 mm 雙層鋼絲編制的高壓膠管,允許壓力5 MPa。

注漿工藝流程：注漿泵－輸送管－控制閥－孔口管－密閉墻。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

61605工作面1月14日開(kāi)始對(duì)冒頂區(qū)進(jìn)行注漿充填加固，1 月16 日完成對(duì)長(zhǎng)65 m、最大高度20 m 的高冒區(qū)處置（注漿充填效果見(jiàn)圖3），共注入65 t 充填漿（13 個(gè)孔）、40 t 加固漿（7 個(gè)孔）；到1 月18 日工作面推至停采線位置，順利完成冒頂區(qū)連續(xù)推進(jìn)，對(duì)工作面支架運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)，如圖4所示。

圖3 冒頂區(qū)充填加固效果圖

圖4 工作面過(guò)冒頂區(qū)支架壓力實(shí)測(cè)

對(duì)61605 工作面實(shí)測(cè)礦壓數(shù)據(jù)分析：根據(jù)支架工作阻力變化，見(jiàn)圖4，將回采過(guò)程分為：阻力升高階段及阻力降低階段，范圍分別為：冒頂區(qū)前方0 m～7 m和冒頂區(qū)內(nèi)。支架工作阻力主要分布區(qū)間是14 000 kN/架～16 000 kN/架，占65.72%。支架工作阻力小于18 000 kN/架，大于16 000 kN/架的占34.28%，支架最大工作阻力為16 901 kN，為支架額定工作阻力18 000 kN 的93.89%。冒頂區(qū)預(yù)注漿加固后支架工作阻力比正?；夭勺枇χ等陨云?，因?yàn)槌涮铙w實(shí)際強(qiáng)度受到現(xiàn)場(chǎng)材料配比不穩(wěn)定、泵壓壓力不足等操作影響，密實(shí)接頂程度差并發(fā)生較大壓縮變形的緣故。

考慮工作面頂煤厚度及承載力變化幅度大、頂板完整性差，回采中可能會(huì)發(fā)生不規(guī)則斷裂、垮落沖擊，因此，ZFY18000/28/53D 型放頂煤液壓支架配套大采高放頂煤工作面過(guò)20 m 的冒頂區(qū)在支護(hù)強(qiáng)度上滿足要求。整個(gè)回采過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)架前漏冒、支架嚴(yán)重偏載和壓架事故，支架-圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性好，說(shuō)明預(yù)注漿充填固結(jié)冒頂區(qū)圍巖起到了良好效果。

4 結(jié)論

（1）特厚煤層大采高綜放工作面采出空間大、礦壓顯現(xiàn)劇烈，針對(duì)產(chǎn)生的體積大、冒落高冒頂區(qū)，提出注漿充填加固處置。

（2）注漿充填加固修復(fù)技術(shù)的作用機(jī)理是：修復(fù)頂板損傷，充填空區(qū)，加固破碎冒落頂板，提高其承載能力和對(duì)基本頂?shù)目刂谱饔?；加固煤柱，提高煤柱的承載能力，防止長(zhǎng)懸梁結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，以緩和礦壓顯現(xiàn)。

（3）提出的注漿充填工藝參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)順利實(shí)現(xiàn)了61605工作面通過(guò)20 m冒頂區(qū)，取得顯著經(jīng)濟(jì)效益。