厚煤層綜放工作面過斷層帶注漿加固技術研究

黨 永(晉能控股煤業集團綜采辦公室,山西 大同037003)

1 前言

斷層是煤炭回采時常見的地質構造,在斷層作用下地層、煤層連續性遭到破壞,工作面過斷層期間容易出現冒頂、煤壁片幫等事故,給工作面回采安全帶來嚴重威脅[1-3]。因此,眾多的研究學者及技術人員對工作面過斷層技術及破碎圍巖控制技術展開研究,其中史之印等[4]提出采用鋪設金屬網方式控制斷層破碎帶圍巖,并取得顯著圍巖控制效果;焦小建等[5]提出采用深孔松動爆破+深孔注水+圍巖注漿等方式過斷層,確保了綜放工作面過斷層安全。本文以山西某礦501101 綜放工作面過DF27 斷層為工程背景,提出采用注漿方式控制斷層影響帶內破碎巖層,確保了工作面過斷層安全。

2 工程概況

501101工作面為501 采區首個回采工作面,工作面開切眼斜長、可采長度分別為180m、2 090m,回采的11#煤厚度平均11.5m、傾角4°。工作面采用綜放開采工藝,采煤、放煤高度分別為3.5m、8.0m,采放比為1∶2.22。11#煤頂板直接頂、基本頂分別為厚度3.5m 砂質泥巖、厚度10.5m 粉砂巖;直接底為厚度5.4m 鋁質泥巖。工作面回采時采煤機型號為MG500/1330-WD,前部、后部輸送機型號分別為SGZ1000/2×855、SGZ1200/2×855,綜放支架為ZF13000/21/40。

根據三維地質勘探資料以及回采巷道掘進揭露地質資料,預計501101 工作面推進至1020m 位置會揭露DF27 斷層(H=18m,152°∠65°～70°),斷層破碎帶內巖層、煤體破碎,工作面推進至斷層位置預計會見矸。501101 綜放工作面與DF27 斷層位置關系如圖1所示。

圖1 工作面與斷層位置關系示意圖

3 斷層破碎帶注漿加固技術

3.1 松動爆破

根據斷層及煤層賦存情況,預計工作面揭露斷層期間會見矸。工作面回采時可根據巖層硬度、厚度調整工作面生產情況從而減少破巖工作量[6]。當工作面破巖厚度在600mm 以上時且巖層堅硬時,采用松動爆破方式輔助采煤機破巖。

(1)采用型號YT-28 鑿巖鉆機鉆進,破碎孔深度、間距分別為1.5m、1.0m,每個炮眼內裝藥量控制在0.4kg 以內,采用黃泥封孔。

(2)引爆雷管選用毫秒延時電雷管,炸藥選用煤礦許用三級乳化炸藥,單卷重量為0.28kg。

(3)爆破孔采用一次裝藥、一次引爆方式,一次引爆的爆破孔數量控制在3 個以內。

3.2 破碎圍巖注漿加固

受到DF27 斷層影響,工作面頂板、煤層松軟破碎,若不對頂板、煤壁進行加固,工作面在過斷層期間可能出現煤壁片幫、頂板冒落問題,從而給工作面回采安全帶來不利影響[7-8]。為了確保工作面回采安全,提出采用注漿方式對斷層影響范圍內的破碎煤巖體進行加固注漿。

3.2.1 回采巷道超前注漿

1)加固鉆孔布置

為了降低注漿對工作面回采影響,提出在工作面回采巷道內布置注漿鉆孔對破碎煤巖體進行注漿加固。具體注漿加固范圍為推進1 020～1 120m,共計加固100m 范圍,其中運輸巷、回風巷加固范圍分別為50m。

圖2 運輸巷注漿鉆孔布置示意圖

在回采巷道內布置的注漿孔孔深為30～50m,鉆孔間距均為3.0m,開孔位于巷道底板1.0m 位置,鉆孔均垂直巷幫施工,傾角均為8°(運輸巷傾角+8°、回風巷傾角-8°)。具體運輸巷內注漿孔布置如圖2所示。

2)注漿壓力及材料

在工作面回采巷道巷道內布置的注漿孔注漿壓力控制在6～8MPa。

化學注漿漿液加固效率高、效果好,但是加固成本高;水泥注漿材料注漿成本低,但是注漿工藝復雜。為了降低注漿成本,注漿以水泥漿為主,若注漿效果不佳時選用化學漿液(聚氨酯)。單孔注入的水泥漿量為315～630m3。

3)封孔

封孔質量直接影響注漿加固效果,選用注漿塞封孔時由于注漿壓力大,存在漏漿嚴重問題。因此,對鉆孔封孔工藝進行改進,封孔長度為3.0m,具體改進后的鉆孔封孔結構如圖3所示,封孔材料包括有麻繩、無縫鋼管(封孔管)。在長度3 000mm 封孔管兩側纏繞麻繩,從而降低馬麗散泄露量;長度6 000mm無縫鋼管用以注漿。

圖3 注漿鉆孔封孔結構圖

3.2.2 工作面內輔助注漿

在工作面回采過斷層期間,在回采巷道內布置注漿鉆孔加固斷層帶內破碎圍巖。當工作面回采遇局部區域圍巖破碎或者加固效果不佳區域時,在工作面內布置注漿鉆孔進行輔助加固。

輔助加固鉆孔孔深為6.0m、間距1.75m、傾角15°,開孔位于支架頂梁下方500mm 位置,具體布置如圖4所示。注漿材料選用化學漿液(聚氨酯),注漿壓力為4MPa。

圖4 工作面內輔助注漿

3.3 過斷層期間頂板管理措施

(1)工作面在過DF27 斷層期間應及時移架,即采煤機回采過后應立即伸出支架伸縮梁對頂板巖層進行控制。若頂板巖層破碎時應通過帶壓移架方式控制頂板,縮短頂板無支護暴露時間。

(2)避免生產時支架頂梁完全脫離頂板,防止頂板大面積出現冒頂。液壓支架升架時,應穩定供液3～5s,確保液壓支架初撐力可達到額定工作阻力的80%以上。

(3)嚴格控制工作面回采高度,嚴禁出現超高開采,必要時可適當降低工作面回采高度。

(4)強化工作面綜放設備管理,確保支架平直,避免出現錯差、跳臺等問題。合理組織工作面生產,提高工作面回采速度。

4 斷層破碎帶注漿加固效果分析

在工作面回采巷道內采用2 臺2TGZ-60 注漿泵進行注漿,運輸巷、回風巷內分別布置17 個注漿孔,共計注入12t 水泥漿、23m3水泥漿;工作面過斷層期間共布置3 個輔助注漿鉆孔。待注漿完成后,工作面過斷層期間未出現頂板冒落、煤壁片幫問題,取得顯著的圍巖加固效果。具體在注漿點位置獲取到的煤巖樣品如圖5所示,從圖中看出注漿漿液在煤巖體內膠結成骨架,有效提高了圍巖承載能力及穩定性。

圖5 注漿后破碎煤巖內裂隙加固效果

5 結論

(1)501101 工作面過斷層期間采用松動爆破方式對弱化工作面內厚度600mm 以上的矸石進行爆破,從而達到降低采煤機、刮板輸送機磨耗目的,提高工作面生產效率。工作面過斷層期間保持6m/d的推進速度,耗時17d 通過DF27 斷層影響帶。

(2)根據501101 工作面、DF27 斷層賦存情況提出在回采巷道超前注漿、工作面內輔助注漿方式加固斷層破碎帶圍巖,并對注漿加固方案進行設計。注漿完成后,斷層破碎帶內圍巖穩定性顯著提升,有效避免了工作面回采期間頂板冒落、煤壁片幫等安全風險。