下分層綜采工作面注漿加固頂板技術(shù)研究與應(yīng)用

龐柳陽 郭鐵成 程相克

（中國平煤神馬能源化工集團(tuán)平煤股份十礦，河南 平頂山 467000）

1 概況

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦己16-24060工作面位于-320 m 水平己四采區(qū)西翼第二區(qū)段，南為已回采結(jié)束的己15-24020 采空區(qū)、己16-24020 采空區(qū)，北為已回采結(jié)束的己15-24080 采空區(qū)，上覆已回采結(jié)束的己15-24060 采空區(qū)。工作面有效走向長1961 m，傾斜寬135.9～154.7 m，平均144.4 m。煤層厚度在0.8～2.0 m 之間，平均厚1.5 m。煤層傾角14.6～30.7°，平均22°左右，外段較陡，向里較緩。工作面標(biāo)高-413～ -564 m，工作面埋深570～760 m。工作面頂板為0.1～17.8 m 厚的砂質(zhì)泥巖夾薄層細(xì)砂巖，其上為己15-24060 采空區(qū)假頂，再上為5.0～8.0 m厚的砂質(zhì)泥巖夾薄層細(xì)砂巖含己14 煤層。

由于該工作面為下分層工作面，上分層頂板鉸接狀況不好，同時(shí)機(jī)巷應(yīng)力集中，巷道變形嚴(yán)重，加之采動(dòng)影響，回采期間機(jī)頭三角煤頂板破碎程度高，采煤機(jī)行至機(jī)頭時(shí)容易流渣。為加強(qiáng)施工期間三角煤頂板安全管理，自該工作面推進(jìn)約1230 m開始在工作面機(jī)頭做沿走向長度5 m 長、1.2 m 寬、1.8 m 高的超前支護(hù)。推進(jìn)至1550 m 左右，機(jī)頭推至上分層工作面斷層密集區(qū)（H＞2 m 斷層4 條），工作面40 架到機(jī)頭煤層傾角達(dá)到30°，機(jī)頭三角煤煤壁松軟易片幫，頂板破碎嚴(yán)重易掉頂，嚴(yán)重制約本工作面的安全高效回采。通過在機(jī)頭超前段注射固安特頂板加固材料，有效地改善了機(jī)頭三角煤煤體的堅(jiān)固性和頂板的整體性，直接減少了過機(jī)頭停車維護(hù)頂板的工作量和影響時(shí)間，為快速通過頂板破碎區(qū)提供了根本保障。

2 固安特材料特征

固安特是一種雙液型高分子注漿產(chǎn)品，反應(yīng)前材料常溫下為液態(tài)，具有良好的滲透性，在外力作用下可滲透到微小的裂隙中的。該材料已廣泛應(yīng)用于井下破碎煤體加固、巖體加固。該產(chǎn)品反應(yīng)時(shí)間短，粘結(jié)性能強(qiáng)，固化物機(jī)械性能高，良好的柔韌性可以承受地層壓力的長期作用，并且具有強(qiáng)抗?jié)B性能、抗磨、抗沖擊性能和抗老化性能。注入煤巖體的高壓混合固化物不僅可以打開煤巖體中的裂縫，而且能夠通過膨脹粘合將松軟煤體與破碎頂板粘結(jié)起來，以承受工作面機(jī)械設(shè)備的采動(dòng)影響。聚合產(chǎn)品的膨脹系數(shù)不小于1，反應(yīng)后體積能夠達(dá)到原來的2 倍以上，穩(wěn)定后聚合產(chǎn)品粘結(jié)強(qiáng)度不低于 3 MPa，標(biāo)準(zhǔn)砂固結(jié)合體抗壓強(qiáng)度不低于30 MPa。固安特反應(yīng)材料技術(shù)參數(shù)如表1 所示，固安特聚合物技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表1 固安特反應(yīng)材料技術(shù)參數(shù)表

表2 固安特聚合物技術(shù)參數(shù)表

3 注漿工藝及技術(shù)要求

3.1 施工前工具及材料準(zhǔn)備

液壓鉆機(jī)1 臺(tái)，Ф42 mm 鉆桿4 根，Ф42 mm鉆頭若干，氣動(dòng)注漿泵1 臺(tái)，注射槍1 個(gè)，Ф19 mm風(fēng)管1 根，Ф13 mm 供料高壓管2 根，Ф10 mm 供液高壓管2 根（長度滿足需求即可），快速連接注漿管若干，配套封孔器1個(gè)，快速插頭1個(gè)，機(jī)油及樹脂、催化劑、兩種注漿材料適量（根據(jù)破碎的裂隙實(shí)際情況來決定材料的用量）。

3.2 施工注漿鉆孔

由于工作面機(jī)巷壓力大，機(jī)頭三角煤頂板破碎，且機(jī)頭段煤層傾角達(dá)到30°，結(jié)合現(xiàn)場情況及重點(diǎn)固化目標(biāo)為機(jī)頭三角煤頂板，決定在機(jī)巷超前范圍內(nèi)向上施工孔深4 m 的注漿鉆孔。鉆孔布置圖如圖1 所示。

圖1 超前注漿鉆孔布置圖

為了使固安特聚合體能夠盡可能均勻向超前鉆孔兩側(cè)蔓延，在施工鉆孔時(shí)，使鉆孔與煤層剖面相平行。在施工時(shí)通過調(diào)整鉆孔傾角a、孔口到超前頂板的距離L、孔口到煤墻的距離X 來研究不同鉆孔方案下的注漿效果。根據(jù)工程質(zhì)量及支護(hù)需求，機(jī)頭超前破0.2 m 鉸結(jié)頂。為鉆孔施工方便，同時(shí)可以滿足注漿效果，經(jīng)試驗(yàn)從煤體上開孔，通過調(diào)整傾角將鉆孔延伸至鉸結(jié)頂可以滿足要求。因?yàn)楸竟ぷ髅鏅C(jī)頭段煤層傾角為30°，所以鉆孔傾角a 必須大于30°才能穿透煤層進(jìn)入頂板。經(jīng)計(jì)算得：當(dāng)a 為45°時(shí)，4 m 鉆孔在水平方向和垂直方向的投影均為2.828 m，在煤層傾向方向的投影為3.9 m，在煤層法向投影為1 m。結(jié)合在采用不同的角度時(shí)的施工情況發(fā)現(xiàn)，固安特聚合體能夠從工作面2 架頂板處滲出達(dá)到期望效果，且在注漿過程中不會(huì)在進(jìn)入鉸結(jié)頂以前過多滲入煤體中去。同理，發(fā)現(xiàn)L為0.6 m 時(shí)，不僅鉆孔施工方便，而且聚合體能夠在鉛垂方向擴(kuò)散較好，鉸結(jié)頂固化位置很準(zhǔn)確。此外，工作面為“三八制”勞動(dòng)組織，兩班生產(chǎn)，圓班按5 刀煤組織，循環(huán)進(jìn)尺0.6 m，正規(guī)作業(yè)循環(huán)下日循環(huán)進(jìn)尺3 m，而頂板裂隙較大，結(jié)合本產(chǎn)品擴(kuò)散半徑，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，當(dāng)X 為3 m 時(shí)，注漿20 桶即可達(dá)到期望效果，其固化范圍夠2 日推進(jìn)。當(dāng)頂板極其破碎，裂隙非常大時(shí)，可縮小X 至2 m，每日注漿1 次，縮小范圍，加強(qiáng)小范圍頂板固化效果（對(duì)于塌孔嚴(yán)重區(qū)域可直接采用自鉆式注射管實(shí)現(xiàn)鉆孔和注漿一體化進(jìn)行）。

3.3 安設(shè)連接注漿管路

（1）安裝注漿管。依次連接粗細(xì)兩種規(guī)格注漿管，通過調(diào)節(jié)封孔器安裝位置調(diào)整封孔深度，一般距外孔口3 m。

（2）按照要求接入注漿泵的供風(fēng)管路和出料管路。在注射槍接入注漿管路前，應(yīng)首先進(jìn)行注射試驗(yàn)，保證注漿管路和泵及其它設(shè)備的可靠性。主要通過觀察兩種材料的出料比例及混合材料是否反應(yīng)判斷各設(shè)備是否正常。設(shè)備安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 設(shè)備安裝示意圖

3.4 注漿過程控制

（1）開始注漿。注漿過程中需保證封孔質(zhì)量，調(diào)整注漿速率。密切觀察注漿區(qū)域煤巖體是否脫落，出現(xiàn)漏料、串漿應(yīng)及時(shí)停泵處理。當(dāng)孔口出漿時(shí)，可用破布或者袋子繼續(xù)進(jìn)行封孔，當(dāng)其它位置出漿時(shí)，應(yīng)及時(shí)停泵，減少漏料，避免浪費(fèi)。

（2）達(dá)到預(yù)期注漿效果即可停止注漿。一般根據(jù)現(xiàn)場出料情況確定停注時(shí)機(jī)。并非注料越多越好，達(dá)到固化效果即可，注漿過多不僅材料費(fèi)用高，而且增加生產(chǎn)中的大塊率。

（3）注漿完畢后，清洗設(shè)備和配件。按照注漿設(shè)備要求進(jìn)行設(shè)備清洗，首先用水清洗泵體抽料缸體，再用機(jī)油清洗催化劑抽料缸。

4 效果

（1）通過在己16-24060 綜采工作面機(jī)巷超前段施工注漿鉆孔對(duì)機(jī)頭三角煤破碎頂板進(jìn)行注漿加固，有效地控制了三角煤壁的片幫以及破碎頂板的冒落，創(chuàng)造了安全的生產(chǎn)條件。

（2）直接減少了惡劣地質(zhì)條件下采煤機(jī)過機(jī)頭的維護(hù)工作量和影響時(shí)間，節(jié)省了人力物力，為單班5 刀煤正規(guī)作業(yè)循環(huán)提供了保障。

（3）在工作面頂板周期來壓時(shí)，注漿后的煤壁未發(fā)生明顯片幫，支架端面距符合要求。

（4）滲入破碎頂板的聚合體改善了三角煤頂板的完整性，保證了傾斜煤層工作面支架的支護(hù)質(zhì)量，有效地避免了工作面液壓支架因不接頂而發(fā)生歪架、咬架等問題。