高性能無機(jī)注漿材料在“孤島”工作面巷道加固中的應(yīng)用

趙建陽

（煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

隨著我國煤礦采深的增加，開采煤層時受到的地應(yīng)力作用增大，尤其是遇到“孤島”式工作面時，采動動壓對于巷幫煤柱具有較強(qiáng)的破壞作用，當(dāng)回采臨近地質(zhì)構(gòu)造和斷層帶附近時，由于應(yīng)力集中，會導(dǎo)致頂板出現(xiàn)破碎，降低工作面及兩巷的支護(hù)強(qiáng)度，造成補(bǔ)強(qiáng)加固困難[1-2]。因此，為提高頂板和煤柱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低動壓對其影響破壞強(qiáng)度，采取預(yù)注漿的措施進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。通過實驗室條件下改善注漿材料的力學(xué)性能，投入工作面進(jìn)行實踐，取得較好的加固效果。

1 工作面概況

12003 工作面位于糯東煤礦井田一采區(qū)西翼，北鄰井田邊界線，南鄰1#回風(fēng)巷和1#進(jìn)風(fēng)大巷，西翼為12001 工作面采空區(qū)，東翼為12005 工作面采空區(qū)，按照工作面布置設(shè)計采用跳采工藝，因此，12003工作面回采時已為“孤島”工作面。糯東煤礦為多煤層開采，主采煤層有17#、19#、20# 和26# 四組煤層，12003 工作面主采20#煤層，采面地表標(biāo)高+15 25～+1 850 m，井下標(biāo)高+1 336～+1 359 m，20#煤全層厚度2.2～4.1 m，平均煤厚2.8 m，煤層總體層位穩(wěn)定，含夾矸2～3 層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸厚度0.1～0.8 m，平均厚度為0.5 m，多以泥巖為主，局部含有粉砂質(zhì)泥巖，煤層傾角平均3°。工作面回風(fēng)順槽設(shè)計長度1 117.5 m，運(yùn)輸順槽設(shè)計長度987.5 m，切眼長度141 m，設(shè)計可采長度為885 m，工作面呈傾向布置。采面內(nèi)在掘進(jìn)期間共揭露8 條正斷層，落差為1.5～3 m，傾角40°～70°。采面順槽與相鄰工作面留設(shè)煤柱寬度達(dá)21 m。12003 工作面巷道布置，如圖1 所示。

由于12003 工作面在回采前經(jīng)過回風(fēng)底抽巷、運(yùn)輸?shù)壮橄锖颓醒鄣壮橄锸┕ご罅康拇鱼@孔，采取對煤體進(jìn)行水力沖孔連管抽采瓦斯的防突措施，造成煤體結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性下降，在回采期間受到采面兩翼采空區(qū)工作面的動壓影響，造成壓力疊加，在回采過140 m 左右時，回風(fēng)和運(yùn)輸順槽超前支護(hù)段巷道受到擠壓嚴(yán)重變形，兩幫出現(xiàn)鼓包憋幫現(xiàn)象，最大移近量達(dá)到470 mm，導(dǎo)致回采側(cè)煤壁及采空區(qū)側(cè)煤柱松軟開裂，支撐強(qiáng)度嚴(yán)重下降，為加強(qiáng)頂板支護(hù)，將巷道兩幫部單體柱抬棚各向內(nèi)偏移400 mm 重新打設(shè)，但巷道可操作空間嚴(yán)重受限，影響行人運(yùn)輸，尤其是更換電機(jī)、溜子槽等大型設(shè)備時無法清理出轉(zhuǎn)運(yùn)空間，制約安全生產(chǎn)。在應(yīng)力疊加區(qū)域，巷道超前40～70 m 段底鼓嚴(yán)重，頂板存在不同程度的下沉，造成支護(hù)困難，最大頂?shù)状怪币平窟_(dá)到560 mm，需要安排專門巷修隊伍隨工作面向外推進(jìn)不斷臥底清道，進(jìn)行巷道維護(hù)，無形中增加施工工程量和勞動強(qiáng)度，降低工作面的產(chǎn)出效率。因此，為提高巷道支護(hù)強(qiáng)度和煤體穩(wěn)定性，減少回采煤壁和保護(hù)煤柱被破壞，采取向煤體和頂板注漿的方法，輔助提高自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2 注漿材料力學(xué)特性改良方案

目前適用于礦井井下生產(chǎn)用的注漿材料主要有無機(jī)材料類的水泥、粉煤灰等，以及有機(jī)材料類的聚氨酯、水玻璃等。雖然有機(jī)注漿材料具有流動性好、凝固時間段、注漿效果強(qiáng)度高以及方便制配、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，但有機(jī)注漿材料在反應(yīng)過程中伴隨著大量放熱，對煤體進(jìn)行注漿加固時，容易引發(fā)煤層燃燒等事故，具有一定的風(fēng)險性[3]，且價格昂貴。因此，為更好地適用于井下生產(chǎn)條件和作業(yè)環(huán)境，針對無機(jī)注漿材料黏稠度大，流動性低，凝固時間長，擴(kuò)散范圍有限等缺點(diǎn)，選用硫鋁酸鹽水泥熟料、生石灰和石膏等材料按照一定量配比進(jìn)行混合，并搭配早強(qiáng)劑、速凝劑等輔助材料。在實驗室條件下進(jìn)行配比試驗，對注漿材料進(jìn)行力學(xué)性能改良。

2.1 硫鋁酸鹽水泥熟料

SAC.42.5 標(biāo)號的硫鋁酸鹽水泥熟料（SAC），主要包括CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO 等材料成分，在實驗室條件下按照表1 中成分質(zhì)量占比進(jìn)行配置。

表1 硫鋁酸鹽水泥熟料成分質(zhì)量占比

2.2 石膏材料

石膏選用礦用天然石膏（SG），主要成分包括SO3、CaO、SiO2、Al2O3等，在實驗室條件下按照表2 中成分質(zhì)量占比進(jìn)行配置。

表2 石膏材料成分質(zhì)量占比

2.3 石灰材料

選用常規(guī)生石灰（SH），主要成分包括CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O、K2O、TiO2等材料成分。在實驗室條件下按照表3 中成分質(zhì)量占比進(jìn)行配置。

表3 石灰材料成分質(zhì)量占比

此外，通過向混合注漿材料中添加萘系減水劑、早強(qiáng)劑、速凝劑和緩凝劑等輔助催化劑材料，有效控制攪拌后漿液的凝固時間和結(jié)塊強(qiáng)度，以期達(dá)到提高煤巖體黏結(jié)完整性的目的[4]。

3 改良注漿材料的效果應(yīng)用分析

3.1 注漿鉆孔布置方案

根據(jù)初期工作面回采期間的頂幫巷道變形規(guī)律分析，設(shè)計注漿鉆孔從切眼向外30 m 處開始施工，隨工作面推進(jìn)逐步向外擴(kuò)展注漿范圍。由于兩巷留設(shè)有近20 m 厚保護(hù)煤柱，設(shè)計在12003 回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽內(nèi)分別向保護(hù)煤柱和回采煤壁內(nèi)施工注漿鉆孔，下排鉆孔距底板高度1 m，上排鉆孔距底板高度2.5 m，均垂直煤壁打設(shè)，在頂板破碎段，在距頂板0.5 m 處以10°～15°傾角開孔，鉆孔直徑選用Φ42m m，孔深設(shè)計12 m，封孔管里段2 m 采用花管連接，便于漿液釋放擴(kuò)散，充填破碎帶裂隙，鉆孔間距5 m，上下排呈“三花眼”方式布置，能夠最大限度確保注漿范圍相互影響滲透，有效治理裂隙[5]。注漿鉆孔設(shè)計斷面如圖2 所示。

圖2 注漿鉆孔設(shè)計斷面

3.2 注漿后巷道移近量

由于煤巖體注漿隨著工作面推進(jìn)向外連續(xù)施工，在應(yīng)力疊加區(qū)域和超前區(qū)段提前進(jìn)行注漿加固，充填裂隙，有效提高煤巖體的可塑性和支撐強(qiáng)度，限制巷道頂幫的變形速度。加固后煤墻成型情況，如圖3 所示。

為進(jìn)一步觀察注漿加固后的控制效果，在回采140 m 后的運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽外段每隔40 m 設(shè)置一組頂?shù)滓平亢蛢蓭鸵平康挠^測點(diǎn)，做好連續(xù)觀測記錄，實時掌握巷道變形量及變形速度，以及與工作面推進(jìn)度快慢之間的相互影響關(guān)系。由于在初期回采的140 m 范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)工作面超前40～70 m 段底鼓嚴(yán)重，以12003 回風(fēng)順槽為例觀察，在1 個月的時間內(nèi)，采面外推距離切眼40、80、120 m 處的1#、2#、3#三個測站的移近量數(shù)據(jù)，將觀測結(jié)果繪制成數(shù)據(jù)曲線，如圖4 所示。

圖4 兩幫移近量頂?shù)装逡平坑^測曲線

由圖4 分析可知，當(dāng)切眼臨近觀測點(diǎn)附近時，頂?shù)装逯g與兩幫之間都會產(chǎn)生移近變形，這與受到向外傳遞的動壓有關(guān)，但經(jīng)過注漿改造加固后，1#觀測點(diǎn)兩幫移近量達(dá)到241.3 mm，2#觀測點(diǎn)兩幫移近量為252.6 mm，3#觀測點(diǎn)兩幫移近量達(dá)到217.5 mm，相較于未采取注漿加固措施前的兩幫移近量達(dá)到470 mm，具有明顯加固效果。在頂?shù)装逡平孔兓校?#測點(diǎn)觀測最大值239.4 mm，2#測點(diǎn)觀測最大值212.3 mm，3#測點(diǎn)觀測最大值235.8 mm，相較于里段未加固回采的140 m 范圍最大頂?shù)滓平?60 mm，取得顯著控制效果。

4 結(jié)論

1）在實驗室條件下以硫鋁酸鹽水泥熟料與生石灰、石膏等材料作為主要注漿原材料進(jìn)行合理配比，并搭配早強(qiáng)劑、速凝劑等輔助材料制配出可調(diào)節(jié)注漿材料力學(xué)性能、抗壓強(qiáng)度和可塑性的改良型材料。

2）在井下工作面實踐應(yīng)用后，經(jīng)過對距離切眼最近的3 個測站連續(xù)數(shù)據(jù)觀察，發(fā)現(xiàn)巷道兩幫最大移近量為217.5～252.6 mm，頂?shù)鬃畲笠平繛?12.3～239.4 mm，相較于注漿加固前兩幫最大移近量470 mm，頂?shù)鬃畲笠平?60 mm，具有顯著加固效果，有效控制巷道變形。