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,實施過程中出現的大面積煤壁片幫和端面冒頂的技術難題,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 f=0.4～1.32。內生裂隙發育,參差狀及貝殼狀斷口。煤層從上往下松軟 (裂隙發育,破碎)→較硬 (裂隙發育小,有一定整體性)→松軟(裂隙發育,破碎),整體表現質軟、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左右的砂質泥巖,部分區域為泥巖或細粒砂巖互層,層理發育,巖體穩定性較差。泥巖底板,質硬,斷口平坦厚層狀,巖石較完整,區內穩定,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,工作面極易發生大面積片幫和端面冒頂,使得高能力的采面裝備不能發揮經濟效益,并嚴重影響工作面的安全生產,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技術的關鍵。

1 工作面頻繁片幫冒頂原因分析

(1)地質構造復雜,斷層、隱伏性陷落柱、牽引褶曲、煤層產狀急劇變化、煤系地層沉積形成的鍋底構造、節理、裂隙等異常地質構造影響頻繁。工作面巷道掘進共揭露 8條正斷層,產狀 310～336°∠42～63°,H=1.0～5.6m。并根據鉆探和坑透結果在工作面內撤架通道往北 198m處發育有一陷落柱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,裂隙發育處頂板易破碎、塌頂,煤質軟硬發育不均,容易片幫。

(4)受巖層產狀影響,工作面傾斜仰采區域較多,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的分力,工作面煤壁穩定性隨仰采角度增大而降低,容易誘發片幫。

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

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

2 片幫冒頂的形式和破壞狀況

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

(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。在較短時間內直接頂巖層垮落,發生架前冒頂。

(2)片冒區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以上的軟弱破碎區域。

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

通過現場總結分析,對 1304工作面破壞形式按照區域劃分進行分析:

區域 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域穩定,片幫寬度基本為2～4個支架寬度,深度為 1.5m左右。

區域 3 大塊失穩,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場跟蹤觀察發現,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

根據工作面開采情況,為減少片幫冒頂對生產造成的安全隱患,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:破碎頂板區域以單排眼挑頂方式固化頂板圍巖注漿為主;頂部片幫區域以破碎煤體均勻注漿粘接固化為主;劈裂滑移區域以注漿管錨注整體穩固煤幫為主。頂部片幫區域注漿鉆孔布置位置見圖 1。其他區域參照表1的技術參數進行布置。

圖 1 頂部片幫區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;注漿過程中發現異常情況,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。注漿系統設備及工藝見圖 2。

表 1 工作面注漿加固注漿技術參數

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。產品的黏結強度高,機械性能優異,能夠與煤巖體產生高度黏合。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,在擴散一定范圍后反應結束,在煤巖體裂縫內反應、硬化,與煤巖體膠結,達到快速加固煤巖體的目的。其技術數據見表 2。

3.3 現場出現的問題及采取的措施

(1)工作面機頭三角區的穩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域進行了重點控制,對于機頭三角區進行密集注漿,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域。機尾三角區域基本穩定,未注馬麗散。

表2 馬麗散N漿液及固化物技術數據

圖2 雙液化學注漿系統設備及工藝

(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,為此采用巷道內超前平行孔注漿加固。在機頭運輸巷,按照 15m1個循環布置 1排注漿孔,提前對該區域進行控制?？咨?7m,由于此段煤體破碎,為防止返漿,封孔深度 3m。

(3)若煤質較硬、頂板條件變好時,即使小范圍發生片幫,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)通過現場實施發現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,要根據煤體裂隙發育情況,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)根據圍巖狀況加固,保證施工安全,節約漿液消耗。每一次注漿參數應參考以往圍巖地質情況注漿后的效果及時調整。

4 控制效果

(1)通過鉆孔窺視,對漿液在工作面煤壁內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部,形成了較完整密實的漿液固結體,煤巖體裂隙、滑移面內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,整個工作面基本穩定,片幫冒頂顯現明顯減少,僅為 2～3架寬度的小范圍片幫,無冒頂顯現,基本不影響割煤。

(4)由于機尾段比較特殊,滑移區域存在初期穩定,割煤進刀滑移煤塊整體錯動失穩片幫現象,因此,在第 1循環注漿后割煤進尺 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注漿的固結煤體串聯起來。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部形成網狀整體,能夠有效提高破碎煤巖體的完整性。并用動態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驗,合理確定注漿加固方案、施工工藝及技術參數,為今后類似困難條件下頻繁片冒的不穩定煤層開采積累了技術經驗。

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

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

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[責任編輯:王興庫]

TD353.8

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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,現從事煤礦高分子化學注漿材料及工程應用。