工作面過陷落柱軟弱頂板加固技術(shù)研究

李 聰

（同煤集團(tuán)忻州窯礦，山西 大同 037000）

陷落柱是存在底板灰?guī)r礦井常見的地質(zhì)構(gòu)造。陷落柱會(huì)破壞煤系地層的結(jié)構(gòu)，并使周圍應(yīng)力分布不均，造成煤層和其頂?shù)装迤扑檐浫酰ぷ髅婊夭赏ㄟ^時(shí)極易出現(xiàn)片幫冒頂情況，影響工作面的正常生產(chǎn)[1-2]。忻州窯煤礦陷落柱構(gòu)造發(fā)育，為了保證工作面能夠順利通過陷落柱，需要對(duì)陷落柱采取必要的措施。本文以8939 工作面為例，研究其回采通過陷落柱破碎頂板的加固技術(shù)。

1 概況

忻州窯煤礦8939 工作面為走向長壁回采工作面，綜采放頂煤工藝，全部垮落法管理頂板。走向長度1600 m，傾斜長度160 m，回采9#煤層，煤層厚度平均4.6 m，該工作面煤層為近水平煤層。回采高度為2.8 m，放煤高度為1.8 m，布置上下巷兩條順槽，沿頂板進(jìn)行掘進(jìn)。通過地震槽波勘探成果，該工作面在切眼向外910 m 處存在一個(gè)陷落柱JDX16，走向范圍為切眼向外910～970 m，傾向范圍為下巷以上20～60 m，如圖1 所示。

圖1 8939 工作面陷落柱位置關(guān)系圖

根據(jù)以往回采和工作面掘進(jìn)情況分析，8939 工作面9#煤層抗壓能力差，節(jié)理、裂隙較發(fā)育。直接頂板為易風(fēng)化的復(fù)合泥巖，厚度2.2～2.8 m，易出現(xiàn)下沉，乃至冒落，在上下巷掘進(jìn)時(shí)發(fā)生多次冒頂。預(yù)計(jì)回采推進(jìn)至JDX16 陷落柱時(shí)，將對(duì)正常回采產(chǎn)生較大影響，需要對(duì)其進(jìn)行加固。

2 陷落柱治理方案

目前常見的陷落柱治理方案有兩種：第一種是預(yù)處理，即對(duì)工作面進(jìn)行超前處理，在上下巷向陷落柱方向施工鉆孔，利用超細(xì)水泥漿進(jìn)行加固，提高煤層和頂板的完整性及強(qiáng)度，以減少工作面片幫和冒頂情況[3]；第二種是即時(shí)處理，當(dāng)工作面揭露或即將揭露陷落柱時(shí)，或工作面在出現(xiàn)片幫情況時(shí)，利用化學(xué)漿液對(duì)煤層和頂板進(jìn)行加固，依靠化學(xué)漿液強(qiáng)大的粘結(jié)性，提高煤層和頂板的承載性能[4]。第二種方法成本較高且影響正常生產(chǎn)，相較而言，第一種更有優(yōu)勢。但多數(shù)工程經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)破碎軟弱頂板采取超前預(yù)注漿加固無法取得較好的效果。由于超細(xì)水泥系無機(jī)材料，其粘結(jié)性能較差，在采動(dòng)影響下，煤體易沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)，使裂隙在此張開，易造成片幫，其頂板軟弱破碎，抗壓強(qiáng)度較低，發(fā)生片幫后頂板失去支撐，易導(dǎo)致頂板冒落。所以，確保工作面安全通過陷落柱的根本方法是保證頂板的自身穩(wěn)定。

3 管棚超前加固技術(shù)原理

管棚加固技術(shù)是利用管棚制造人工假頂，提高承載性，確保工作面回采通過頂板破碎區(qū)域。該技術(shù)的核心是制造人工假頂，提高承載性能。在工作面上下順槽向陷落柱區(qū)域頂板施工定向鉆孔，并根據(jù)頂板的破碎程度合理設(shè)計(jì)管棚的間距。鉆孔施工完成后，將無縫鋼管送入孔中，然后對(duì)其進(jìn)行注漿加固，形成全錨固結(jié)構(gòu)，制造人工假頂，提高頂板承載性。軟弱頂板施壓在管棚結(jié)構(gòu)上，二者保持同步變形，無縫鋼管強(qiáng)大的韌性可以大大提高頂板抗壓能力。該結(jié)構(gòu)能利用穩(wěn)定區(qū)對(duì)破碎區(qū)提供承載力，提高構(gòu)造區(qū)域的整體抗變形能力，原理圖如圖2 所示。

圖2 管棚結(jié)構(gòu)原理圖

4 管棚超前加固參數(shù)

（1）合理的管棚層位。通過長期工程實(shí)踐，破碎頂板厚度小于3 m 時(shí)，可將管棚設(shè)置在頂板的中部位置；當(dāng)破碎頂板厚度大于3 m，應(yīng)將管棚設(shè)置在距頂板底部1.5 m 處。若管棚設(shè)置層位過高，則管棚下方頂板受控較小，易出現(xiàn)冒頂；若層位設(shè)置過低，則容易導(dǎo)致管棚一起冒落。

（2）管棚設(shè)置間距。管棚的間距越大，則鋼管間的聯(lián)系越小，效果越差，可適當(dāng)減小其間距，利于管棚發(fā)揮作用；但管棚過密，會(huì)對(duì)頂板產(chǎn)生破壞，降低原始強(qiáng)度。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，管棚的間距范圍為0.5～1.5 m。

（3）管棚材質(zhì)。為提高管棚的抗彎折性能，材質(zhì)的剛度最為重要，增加材質(zhì)直徑和壁厚，可顯著提高其剛度，所以采用直徑大于50 mm、壁厚大于5 mm 的無縫鋼管。出于成本和施工考慮，鋼管的直徑最大不超過108 mm，且鋼管的接頭處要加長絲扣，以提高穩(wěn)定性。

5 管棚加固試驗(yàn)

5.1 鉆孔布置

鉆孔的布置原則為：一般情況下陷落柱中部結(jié)構(gòu)完整，巖性堅(jiān)硬，而邊緣破碎松軟，所以要重點(diǎn)加固陷落柱和煤體的交界處。回采進(jìn)入陷落柱的影響區(qū)域后不再進(jìn)行放頂煤，工作面沿頂板回采。在下巷共設(shè)計(jì)兩排鉆孔，其中上排鉆孔對(duì)頂板進(jìn)行加固，層位為采高上方約1.5 m，送入管棚，孔深要求超出陷落柱邊緣約10 m；下排鉆孔加固采高的中上部，層位為頂板下方約1.2 m，孔深要求超出陷落柱邊緣約5 m，孔深25～71 m 不等。如圖3 所示。

圖3 管棚加固示意圖

JDX16 陷落柱靠近下巷側(cè)，在下巷布置上下兩排深孔。考慮到鉆桿下沉，其上排鉆孔仰角3°，距頂0.5 m，間距1 m，孔深70 m；下排鉆孔仰角1°，距頂1.2 m，間距5 m，鉆孔深度25～70 m，孔徑為94 mm。鉆孔設(shè)計(jì)圖如圖4 所示，下排鉆孔參數(shù)見表1。

5.2 管棚的布置形式

上排鉆孔改造頂板，采用管棚加固，選擇無縫鋼管直徑為73 mm，壁厚6 mm，每節(jié)長度2 m，所有鉆孔均采用35 節(jié)全孔插管，絲扣連接，全長為70 m。

下排孔目標(biāo)層位在采高范圍，為保證采煤機(jī)順利割煤，不能插入無縫鋼管，僅對(duì)其進(jìn)行注漿。

5.3 注漿管參數(shù)

上排孔利用無縫鋼管進(jìn)行注漿，管口安裝轉(zhuǎn)接頭與直徑19 mm 的高壓膠管相連；下排孔外側(cè)10 m范圍內(nèi)采用DN20 鋼管，每節(jié)2 m，共插入5 節(jié)，管內(nèi)利用PVC 膠管倒插孔底。

圖4 鉆孔設(shè)計(jì)圖

表1 下排鉆孔參數(shù)表

5.4 注漿材料選擇和注漿工藝

本次注漿采用兩種材料，緩凝材料是主要注漿材料，當(dāng)發(fā)生漏漿時(shí)利用速凝材料堵漏，具體如下：

（1）緩凝材料為水泥加納米灌注劑。其中水泥為52.5 級(jí)的普通水泥，以XPM 納米灌注劑作為添加劑，水灰比1:1～0.15。根據(jù)煤巖裂隙發(fā)育情況來確定具體參數(shù)。凝結(jié)時(shí)間5～12 h，固結(jié)后抗壓強(qiáng)度要求超過5 MPa，主要用于對(duì)較小裂隙進(jìn)行改造。

（2）速凝材料為水泥加水玻璃混合漿。水泥為52.5 級(jí)普通水泥，水玻璃的濃度范圍為30～40 °Bé，模數(shù)n=2.5～3.5。水泥和水玻璃的體積比為1:0.5～1:0.8，凝結(jié)時(shí)間為1～3 min，固結(jié)后抗壓強(qiáng)度要求超過5 MPa，主要用于堵漏。

5.5 工程量及加固效果

本次對(duì)切眼向外900～980 m 進(jìn)行加固，總長為80 m。共施工上排孔81 個(gè)，施工下排孔17 個(gè)，總進(jìn)尺為6380 m，使用無縫鋼管5668 m，上排鉆孔單孔平均注漿量為0.8 t，下排鉆孔單孔平均注漿量為5 t，共消耗注漿材料149.7 t。

工作面回采至陷落柱范圍時(shí)，在幫部揭露了下排孔的注漿管，其上下2 m 內(nèi)的裂隙受到漿液有效填充，證明漿液擴(kuò)散效果較好。該處頂板僅出現(xiàn)輕微下沉，沒有發(fā)現(xiàn)冒頂情況，工作面安全通過陷落柱。工作面在正常情況下的推進(jìn)速度為3 m/d，在構(gòu)造區(qū)域累計(jì)回采80 m 用時(shí)為30 d，平均回采速度約為2.7 m/d，

6 結(jié)論

（1）工作面通過陷落柱破碎頂板區(qū)域時(shí)，僅依靠注漿效果難以保證，需要通過管棚加固技術(shù)來增加頂板的穩(wěn)定性。

（2）管棚加固需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際回采條件設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，合理確定目標(biāo)層位、鉆孔間距及管棚材質(zhì)等。

（3）針對(duì)8939 工作面陷落柱，通過對(duì)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，設(shè)計(jì)了加固方案并在現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)。本次鉆孔總進(jìn)尺6380 m，使用無縫鋼管5668 m，消耗注漿材料149.7 t。工作面回采通過陷落柱時(shí)未出現(xiàn)冒頂情況，平均回采速度2.7 m/d，加固效果較好，確保了工作面安全高效回采。