孤島綜放工作面注巖石加固劑加固三角點的研究實踐與效果淺析

引言

S2S5綜放工作面為孤島工作面，自然地質條件在國內外罕見，為高應力、強膨脹的極軟巖。其埋藏深度為 678m ，且相鄰兩個工作面均已采完10多年，西側為S2S4采空區，東側為S2S6采空區。采空區的基本頂受S2S5綜放工作面采動壓力影響，加劇了該工作面在回采過程中的礦山壓力顯現，給工作面煤壁和頂板的整體強度和完整性帶來了嚴重的影響。隨著工作面的不斷推進，兩巷和工作面在采動壓力的作用下，導致前、后三角點幫、頂維護困難。煤壁片幫、頂板冒頂，漏下來的煤矸石極易將前部刮板輸送機壓住，常常需要作業人員到輸送機上往下挑貨，嚴重制約了工作面的正常推進，給安全生產帶來了重大隱患。

一、地質構造

(一）圍巖性質

煤層頂板為油頁巖，黑褐色，以泥質成分為主，層狀結構，含碳、富油、易風化，風化后成片狀，干后粉碎崩解，不易維護。煤層底板的粉砂巖，灰、深灰色，以泥質膠結為主，膠結程度較高，堅硬，有時夾薄層泥巖和煤線，具有粉砂質結構，塊狀構造。工作面煤層結構復雜，煤層屬于節理、層理發育的松軟巖層，主要變形特征為碎脹。是由 13～15 個自然分層組成的復合結構煤層。煤層厚度(最大一最小/平均)為 10.4-6.2/8.25m ，煤層傾角(最大一最小/平均)為13一5/9度。煤種為長焰煤。煤層中夾石一般為泥巖，深灰色，泥質膠結，質軟、遇水泥化。煤層的堅固系數1.4，容量 1.32g/cm³ ，發熱量5353卡/克，煤塵爆炸指數 40.54% ，自然發火期1~3個月，最短21天。

(二)巷道的最明顯變形特征

一是巷道來壓迅速，開挖后原巖應力重新分布，圍巖受應力的影響變形破碎，礦壓顯現劇烈，回采巷道掘進時頂、底板移近速度最高值大于 100mm/d ，最大時達 300mm/d 二是流變性明顯，巷道掘進或翻修后很長時間無法穩定，變形速度居高不下。三是受應力擾動極為敏感，相對穩定的巷道一旦受到翻修、臥底、爆破等擾動，則圍巖變形再次急劇增大。四是頂、底板相對移近量大于兩幫移近量，且底鼓非常嚴重。五是受采動影響區域大，影響強度猛烈，靠近工作面的巷道變形嚴重，服務期限短；回采巷道受采動及相鄰采空區殘余應力的雙重影響，巷道變形更為顯著。通過礦壓觀測發現：巷道距工作面 150m 就已經受到采動壓影響，最大時影響范圍達到 400m m，20m～75m 為變形最嚴重區域。

二、工作面概況

S2S5綜放工作面走向長度 1432m ，面長 170m～ 200m ，平均煤厚 8.25m ，可采儲量282.7萬 σ_t ，服務年限1.4年。工作面采用傾斜長壁仰斜后退式綜合機械化放頂煤回采工藝。兩巷支護形式：運輸巷采用36U型鋼 4.6m 圓形棚，回風巷采用36U型鋼 4.4m 圓形棚，棚距 0.6m ，充砼厚 300mm 。

三、注巖石加固劑的作用機理

該工作面在注巖石加固劑過程中，巖石加固劑在泵壓和自身壓力作用下，擠壓或滲透到煤層、圍巖的大小裂隙當中產生了較大的物理粘結作用，巖石加固劑在固結后，會形成網絡骨架結構。在實際回采過程中發現，巖石加固劑利用其自身所具備的韌性和粘結強度起到骨架作用，能有效加固破碎煤巖體，使破碎的煤巖體黏合補強成一個完整體，并提高煤巖體的穩定性和承載能力，降低了破碎煤巖體內部應力集中程度和外力作用下的破壞程度。從而有效地控制了煤壁片幫、頂板破碎導致矸石流入工作面，保證了回采工作的安全有效順利運行。

四、注巖石加固劑的材料及特性

礦用巖石加固劑是一種由兩種成分組成的產品，按照1：1（體積比）比例混合后快速形成泡沫固體，其優點是：膨脹快，泡沫反應迅速，中空充填時用量少；很好的抗壓能力，經得起巖層的運動；密閉效果明顯、持久。具備反應時間可調、阻燃性好(反應溫度低于 140^°C ）粘結強度和壓縮強度高的特性，可有效地與煤層、圍巖產生黏合，產品完全凝固后，其粘結強度可達3Mpa以上，抗壓強度可達 40Mpa 以上。主要性能指標如表1所示。

表1主要性能指標

五、注巖石加固劑工藝的改進設計

之前都是在運、回順上幫側，距工作面煤壁 1.5m 和 5m 處沿巷道頂板向上打注漿眼，孔深 3m ，孔距3m 進行預先注巖石加固劑加固煤巖體，雖取得了明顯的應用效果，但現在已不能滿足實際的生產需要。

經過認真分析研究、實踐，結合現場實際的地質條件，對注巖石加固劑的鉆孔布置和打眼角度進行了改進。使原來的破碎煤巖體重新粘結成一個新的整體，使煤巖體的強度和穩定性得到了更大的提高，確保工作面安全有效順利回采。

第一，在工作面機頭側1#支架往前，機尾側109# 支架往后，在工作面煤壁水平向上打注漿孔；在運、回順上幫側距工作面煤壁 1.5m 和 3m 處沿巷道頂板向上打注漿孔。孔深 3.3m ，外露長度 0.2m ，單排孔布置，眼距為 1.5m ；在工作面架間或支架護幫板后，運、回順沿巷道頂板打孔，孔距頂板 0.2m 處水平向上開孔。經長期的實踐、研究確定，注漿套管插入頂板，距離頂板上方 0.5m～0.8m 處注漿后，巖石加固劑對破碎頂板的膠結效果最好。所以經計算得出：

當注漿高度距頂板 0.5m 時， sinA=(0.2+0.5)/3.3 角A為 12.2^°

當注漿高度距頂板 0.8m 時， sinA=(0.2+0.8)/3.3 角A為 17.7^°

所以，打孔角度在 12.2^° 至 17.7^° 之間符合注漿標準。鉆孔布置如圖1所示。

圖1注巖石加固劑鉆孔布置

第二，化學注漿泵采用ZBQ—5/12型氣動注漿泵。與注漿設備配套的 Φ25mm 高壓進風管若干米，出漿管規格為 Φ13mm ，長度 10m?20m 各若干根。注漿終壓 6～8MPa 。

第三，按指定和設計位置，使用風煤鉆打注槳孔后插人套管（套管為4分鐵管，套管長度為 3.5m ，先用釬桿鉆到規定的深度后，拔出釬桿，再把套管注到位并上好二次保護。

第四，打注漿孔后，卸下風煤鉆并將止漿塞安裝在距注槳孔口約 2cm 處，擰緊螺母，通過注漿管將套管尾端與注漿泵相連，采用ZBQ—5/12型氣動注漿泵注漿，達到設計壓力后，安裝墊板螺母，從而實現超前預注漿達到加固圍巖的效果。每孔注漿量為250kg～400kg

第五，注漿泵的使用方法。一是注漿前把泵及附件、注漿材料、棉紗運至指定地點，將注漿泵放置在穩固、離開交通要道的地方。將吸液管、注漿軟管與泵連接好，檢查三通處球閥及泵上的球閥是否好用，混合管是否完好。二是準備好動力風源，要求風壓0.4～0.6Mpa ，用直徑 Φ25mm 高壓膠管將壓風與注漿泵連接起來，安裝調試氣動注漿泵及吸、排漿管、吸漿桶，將泵與壓風管路相連接，檢查泵的潤滑油量是否滿足要求。輸入管A接到泵的A組份吸入端，輸入管B接到泵的B組份吸入端。出漿壓力表控制原料 B 。三是將注漿管與套管通過注漿器連接，開啟氣動注漿泵按1：1的比例通過注漿管向注漿孔內注漿，進行圍巖加固。注槳順序遵循由下至上，由近至遠的原則，按照順序依次注漿。四是注漿過程中，要密切觀察跑漿情況，發現跑漿，及時處理。每次注漿后，及時將堵頭安置在套管孔中，防止注漿材料流出。五是施工完畢后用清水清洗泵和管路，并清理現場[]。

六、注巖石加固劑后的效果觀測

隨著工作面的不斷推進，每天對該工作面前、后三角點超前預注巖石加固劑段，進行實際跟蹤觀測發現以下情況：一是頂板和煤壁膠結效果十分明顯，沒有發生漏煤矸現象。前、后三角點超前預注巖石加固劑段，整體上看漏煤、漏矸現象得到了非常有效的控制，有效地控制了工作面前、后三角點應力集中區片幫、冒頂等情況嚴重的難題。二是在對工作面前、后三角點超前預注巖石加固劑的基礎上，巖石加固劑對破碎煤巖體起到補強加固、充填密實的作用，人為地改善了破碎煤巖體的物理力學性能，提高了前、后三角點煤壁和頂板的堅固性、穩定性、完整性，使工作面做機頭、機尾的工作時間大為縮短，對安全有效順利回采起到了事半功倍的效果。三是注巖石加固劑后，提高了工作面的推進速度，保證了工作面的正規循環作業，提高了工作面的采煤效率。頂板掉貨壓溜子事故大為減少，人員不需要再進入機道內進行挑貨作業，既減少了體力支出，又增加了施工安全系數，杜絕了工人進入機道內挑貨、剎頂的安全隱患，保證了工人在工作面內安全可靠的作業環境。四是注巖石加固劑的工藝流程具有施工快捷、操作靈活便利的優點。注漿設備具有占用面積少、質量輕、體積小、操作簡單、搬運靈活等優點，能適應相對復雜不斷變化的工作面現場，可以在綜采或綜放工作面空間窄小的環境內進行操作。

結束語

對前、后三角點注巖石加固劑可以充填進入煤層的細小裂隙中，通過它的網絡骨架作用，可將頂板破碎帶內破碎圍巖膠結為具有一定強度的密實體。巖石加固劑漿液在結固后，能夠有效地加固頂板破碎巖石，提高頂板和煤壁的整體強度。由于巖石加固劑漿液對頂板裂隙的充填和黏結，使破碎的頂板重新形成一個較為堅固的整體，有效地控制了煤壁片幫、頂板冒頂等現象。總之，S2S5綜放工作面前、后三角點注巖石加固劑在技術上是可行的。由于采用超前預注巖石加固劑的方法，使煤壁和頂板具有堅固性、整體性、穩定性，從而提高了S2S5綜放工作面的推進速度，保證了工作面的正規循環作業，對S2S5綜放工作面加快推過地質條件復雜地段，實現高產高效有著重要的意義；同時也提高了工作面的安全系數，減少了工人的勞動強度，為治理煤壁片幫、頂板冒落拓寬了新的思路，也為綜放工作面前、后三角點頂板管理提供了一個行之有效的方法。該技術具有廣闊的推廣應用前景，值得對地質條件相類似的礦井進行推廣使用。

參考文獻：

[1]王志清，肖亞寧，萬世文.綜放孤島工作面復合構造破碎帶化學加固技術[].煤炭科學技術，2005(04)：18-21.

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[3]李福賢，李志勇，周玉民.綜放工作面三角點化學注漿加固技術研究與應用.商品與質量：消費研究，2014(03)：148-149.

作者簡介：呂銀鵬(1990—），男，工程師，2012年畢業于遼寧工程技術大學采礦工程專業，現在小康煤礦擔任掘進二隊隊長。