注漿技術在松軟煤層孤島工作面中的應用

劉宏杰

(陽泉煤業集團 五礦， 山西 陽泉 045000)

0 引言

陽泉煤業集團五礦所采的8410孤島綜采工作面井下位于四采區，所處水平為+420水平，工作面標高430～478 m，平均457 m；地面標高892～1 043 m，平均965 m；埋深438～573 m，平均走向長1 571 m，傾斜長198.6 m。采用走向長壁后退式綜采放頂煤的采煤方法。南部為采區運輸大巷，東北部為已采的8411、8132、8133工作面，西南部為已采的8409工作面。工作面共布置進風順槽、回風順槽、切巷、低位抽采巷及高抽巷5條巷道。8410工作面巷道如圖1所示。

8410工作面的地質條件:15#煤層煤巖類型為半亮型～光亮型，煤層厚度為6.00～7.55 m，平均厚度為6.64 m。撓曲構造附近預先采取探測方法進行煤厚探測，結果顯示煤層較厚，可采指數1，變異系數13.5%。煤層傾角3 °～40 °，平均6 °。本面15#煤層的結構較為復雜，一般含夾矸3～4層，煤層結構：0.22(0.13)2.61(0.21)2.28(0.30)0.89，純煤厚6.0 m，夾矸0.64 m。頂底板巖體力學性質如表1所示。

工作面煤層底板等高線顯示其起伏變化較大，開采前期為一軸向NE的寬緩背斜形態，切巷回風側有一撓曲構造，煤層傾角最大為20 °；距切巷680 m左右處有一軸向北東的向斜構造，煤層傾角為4 °～12 °；開采后期整體為一軸向北東的背斜構造，煤層傾角為4 °～14 °。

綜上可知,其綜采工作面地質條件復雜,嚴重影響了工作面回采速度和安全生產。因此，有必要研究其預注漿加固方案。

圖1 8410工作面巷道示意圖

表1 頂底板巖體力學性質

1 深孔鉆孔布置方案準備

工作面機頭處支架俯斜角度較大，采煤機截割范圍內大部分割直接頂泥巖，支架上方由巖石頂板逐漸過渡為煤層頂板，控制關鍵方向為支架俯斜開采至揭煤處的頂板強度較低區域，故加固重點應在過渡段[1]。考慮到鉆孔下斜角度不可過大，將鉆孔布置為一排，但單數孔與雙數孔仰角不同，控制范圍為頂板0～5 m高度內。

方案設計前需要確定工作面行進到注漿區域時的機采高度范圍，為鉆孔布置提供依據[2]。

1.1 關鍵點布置方案

對該區域采用關鍵點法，每隔10 m做一個傾向剖面圖，并在剖面圖上預計傾向上機采高度范圍。共選取4個關鍵點做剖面，分別為a-a、b-b、c-c、d-d剖面。各關鍵點位置如表2所示。各個剖面如圖2所示，虛線1為機頭附近機采高度預計。

表2 關鍵點位置

根據關鍵點處傾向剖面，先對關鍵點處鉆孔進行設計，再依次對其余位置進行設計，各關鍵點鉆孔參數見表3。

(a) a-a剖面

(b) b-b剖面

(c) c-c剖面

(d) d-d剖面

表3 各關鍵點鉆孔參數

鉆孔設計依據：加固重點在頂板過渡段，機采高度上方頂板由泥巖過渡到煤層，揭煤后，煤頂厚度小于2 m前，作為重點加固區域。

1.2 鉆孔施工方式

必須采用分段成孔方式進行打孔，分段鉆孔施工分3個階段進行：

1) 第一階段。套管安裝及固定。架設好鉆機，調整完鉆進角度后，首先使用φ113 mm鉆頭打孔3 m，退出鉆桿和鉆頭，插入套管(套管可以采用108 mm直徑鋼管，每節長1.5 m，兩節之間通過絲扣連接，外端一節焊法蘭盤，另外一片法蘭盤上焊上直通，用于連接高壓注漿管)。上法蘭盤，注雙液漿將套管固定牢固。

2)第二階段。循環鉆進及注漿方式。套管固定完成，打開法蘭盤，將鉆機上的φ113 mm鉆頭更換為正常94 mm鉆頭打鉆，繼續鉆進10 m，退出鉆桿和鉆頭。采用雙液注漿泵，通過法蘭盤進漿口注漿，再進行掃孔鉆進，之后每向前鉆進10 m，就進行1次退鉆注漿，通過多次循環反復套孔、注漿，從而使漿液擴散至整個鉆孔覆蓋長度范圍，達到最佳效果。

3) 第三階段。鉆進成孔、注漿。打鉆成孔后，退出鉆桿，下6分鐵管和PVC管，進行注漿。

1.3 整體鉆孔布置

加固范圍為距離停采線96.5～136.5 m，總長40 m。自工作面往外施工，第1個鉆孔位置在距離停采線136.5 m處，孔距3 m，到94.5 m結束，孔徑94 mm，共布置15個鉆孔，依次編號為1#～15#，如圖3所示。各個鉆孔參數如表4所示。

圖3 鉆孔布置方式平面示意圖

表4 各個鉆孔參數

2 注漿過程及工藝

工作面從里往外按照鉆孔編號順序施工。具體施工步驟如下：

1)注漿施工前準備好注漿所需注入的材料、注漿所用各類設備、封孔用的耗材等。

2)把注漿泵及附、注漿材料等提前運至施工地點。

3)將泵、攪拌桶與相應動力源連接。

4)檢查泵內的液壓油、潤滑油量是否滿足要求，使用前須試運轉后方可開泵正常運轉。

5)對注漿孔進行封孔作業。

6)封孔材料達到封堵強度后開始注漿。

7)注漿流程。檢查泵及注漿管路的連接等情況―打開輸出閥門―開始注漿―暫停注漿―繼續注漿―結束注漿―用清水清洗泵和注漿管路。

8)在注漿過程中，必須注意觀察泵及巷道周圍的狀況。當煤壁有返漿(通過多次暫停泵操作仍有漿液流出)出現時，通過間歇注漿使已經注入煤體內的漿液凝固，泵及注漿管內的漿液不失去流動性，從而使封堵漏漿裂隙得到有效封堵，也可在漏漿嚴重時換注雙液材料，待漏漿通道封堵后再次換注單液材料。

9)清理現場，使用后保持注漿泵、注漿管、料桶、攪拌桶與截止閥等設備清潔。

3 效果檢驗

8410工作面在注漿前通過構造時每月消耗煤巖體加固材料60 t，每月推進度為35 m，產量為6萬t。

注漿后通過注漿區域時現場頂板事故頻率明顯下降，現場作業勞動強度降低，通過期間停止注漿作業，當月推進55 m，產量為10萬t。

通過構造區域時注膠量減少68 t，減少煤巖體加固材料消耗成本123.4萬元。注漿工程成本為60萬元，可節省63.4萬元。

當月工作面增產4萬t，以市場銷售價格400元/t計算，可增加效益1 600萬元。

4 結論

對撓曲構造區范圍內進行注漿加固試驗，試驗結果表明，注漿技術可有效降低成本，加快工作面推進速度，有效提高礦井生產效益[3-4]。8410工作面試驗的注漿技術可以提高煤體強度，改變力學性質，有效加強頂板的穩定性。