新三礦162601工作面超前注漿加固技術研究與應用

叢龍峰

（冀中能源峰峰集團有限公司新三礦，河北邯鄲056200）

1 引言

新三礦162601工作面為綜采工作面，工作面煤層為單斜煤層，煤層走向 NW55°，傾向 NE，傾角 7～15°，平均為 11°，煤層厚度2.8～4.5m，平均4.2m。工作面采煤方法為傾斜長壁輕型綜采放頂煤后退式方法。工作面地質構造較為復雜，掘進時揭露8條斷層。目前揭露兩條正交斷層，受斷層影響，工作面第34臺～43臺支架煤壁及頂板較破碎，出現片幫，尤其在35～38臺支架處由于空頂時間較長而發生冒頂，冒高約4～5m，致使綜采工作面推進較為緩慢，嚴重影響到綜采工作面回采生產與安全。為加快推進，早日推過該構造帶，需另采取有效的措施來防止煤層片幫空頂，使工作面安全順利推過該構造帶。

2 概述

根據現場觀察及以往其他礦的實際經驗，宜采用化學注漿加固的方式，對工作面斷層帶附近煤壁及破碎頂板進行超前注漿加固，使其凝結成為一個整體，提高煤壁及頂板的黏結強度，減少煤壁片幫范圍及深度，控制頂板垮落，確保工作面安全生產。在2601工作面推采過程中除實施以上技術措施外，重點對煤層注漿進行了實驗研究。合理的煤層注漿可增加煤體顆粒之間的黏聚力，降低煤的脆性，增加煤壁及頂板的整體性延緩煤壁的片幫漏頂，給工作面一定的拉架時間，有效的控制煤壁及梁端頂板的片幫冒落，形成不易脫落的再生頂板。

2.1 方案設計

針對本次工作面的特殊情況，設計在工作面構造變化處從煤壁面布置注漿孔，對工作面受構造破壞的煤壁及偽頂頂板進行注漿加固。注漿時以割煤循環為單位，根據工作面推進速度確定注漿段長度適當進行注漿，保證工作面正常推進。

2.2 注漿材料選擇及性能指標

注漿加固從注漿材料來看分為無機和有機（即化學）兩種。無機材料以水泥或水泥-水玻璃雙液為主，該類漿液為顆粒型，而且凝固時間不宜調節，跑漏嚴重，漿液在凝固過程中離析析水，凝固體強度上升慢且脆性大，主要用于裂隙較大，無動壓影響且變形量較小，自身強度較高的圍巖注漿，對于冒頂處理無能為力。而化學漿液為溶液型，可以滲透到細小的裂隙和孔隙內，漿液反應速度快而且反應時間可調，凝固體有較高的彈性，強度上升快，在幾分鐘內可達到最終強度的90%以上。

根據回采工作面冒頂治理的使用特性，煤巖體極為松軟破碎，且穩定性差，煤壁及頂板承受動壓影響等因素要求注漿材料應具有凝固速度快、固結體強度上升快、材料應有較好的韌性等特性。因此選用波雷因注漿材料。

波雷因注漿材料由A、B兩種組分組成。當A、B兩種組分以相同的體積充分混合后，能形成較高強度并具有較好韌性的固結體。該漿液具有較高的粘合力和較好的機械性能，與煤、巖層有較好的親和力，固結體的柔韌性能承受一定的地層變形。材料注入破碎煤體、巖石后，低黏度混合物保持幾秒鐘，迅速進行一系列的復雜化學反應，與煤巖體形成具有一定強度的固結體，從而起到加固煤壁及頂板的作用。其性能指標如下：

波雷因性能指標：

基本組分 A料 B料密度（25°C）/g/cm3黏度（25°C）/mpa.s包裝（塑料桶）/kg 1.23 220 27 1.05 200 23混合比保存期（25°C）開始反應時間（s）膨脹倍數抗壓強度（MPa）黏結強度（MPa）1∶1 6個月35～60 2～3 58 5.5

波雷因漿液A、B兩種料以1∶1的比例注入煤巖體裂隙中，以孔口管為中心，向四周滲透和擴散，充填破碎、松散的煤巖體裂隙，并且在材料自身二次發泡、膨脹的推動下，滲透到圍巖的深部微細裂隙內，漿材膠凝后將松散、破碎的煤巖體膠結在一起，起到擠壓充填、粘接補強且具有一定塑性變形能力的作用。

2.3 注漿鉆孔布置

注漿孔開孔位于頂板以下2.0m，孔間距2.5m，孔深6m。鉆孔垂直工作面方向上仰20～23°，以終孔進入頂板1m為準，每一循環鉆孔布置要與前一循環成交叉五花布置。

2.4 注漿參數

①注漿終壓

根據圍巖條件與類似工程經驗，確定6m注漿孔注漿終壓為：3～5MPa。

②注漿擴散半徑 R=（γgha/2s+a）β

式中：γ為水的容重，g為重力加速度，s為漿液剪切強度，

h為注漿壓力，a為巖層的間隙等值半徑，β為時間系數

實際施工時通過調整漿液的膠凝速度、滲透性和注漿終壓，保證實際有效擴散半徑不小于1.5m。

③單孔吃漿量Q=AπR2 L n B

式中：A為損耗系數，R為有效擴散半徑，L為注漿段長，

n為開口孔隙率，B為漿液充填系數

預定每孔注漿量為300～350kg。如果單孔注漿量達到了設計數量而未達到設計終壓時，停止注漿，以設計量為準。

2.5 打眼和注漿設備

注漿泵和淺眼幫錨桿機采用壓風作動力，用φ25mm高壓膠管將壓風接至注漿或打眼地點，前端加裝φ25mm高壓球閥。

打眼設備：工作面煤壁及頂板采用風動錨桿機鉆眼，配φ28mm和φ32mm相應規格的鉆頭。

注漿設備：采用ZBQ-5/12型風動雙液注漿泵，技術參數如下。

型號 壓力比 最大排量(L/min)供氣壓力(MPa)(m3/min)質量(kg)外形尺寸(mm)耗氣量ZBQ-5/12 65:1 20 0.2～0.6 1.5 60 900×400×730

2.6 注漿施工工藝

標孔→鉆孔→檢查鉆孔質量→安裝注漿管及封孔部件→封孔→準備漿液→開泵注漿→凝固→檢查注漿質量→驗收。

注漿量：工作面注漿量按循環計算。每循環預計需打孔5個（按注漿范圍為12.5m），用量為1.75噸。預計走完構造段（約75m）需25個循環，預計總注漿用量43.75噸。

3 效果分析

通過使用局部短壁注漿的方法，且注漿孔1.5m范圍內能形成較硬的黏結層，煤機割煤后煤壁基本不片幫漏頂，壓縮了維護頂板的時間，減少了人員維護頂板的材料費用支出，采煤機開機率由原來的18%提高到52%，經濟效益和安全效益顯著。

4 結論

工作面注漿技術具有成本低、操作簡單節省材料，工人勞動強度低，黏結效果良好等特點。該技術的應用，使工作面局部頂板破碎地點頂板得到了有效控制，保證了安全生產，該工藝可使煤體有效凝結，防止煤壁片幫漏頂，大幅度提高工作面推進速度,大大降低被頂材料損耗，改善工人工作量，在三軟煤層、破碎頂板采煤工作面有很好的推廣應用價值。