孟 君

(西山煤電(集團(tuán))公司，山西 太原 030053)

利用有機(jī)高分子材料進(jìn)行破碎煤巖加固是國外在20世紀(jì)70年代初期發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，幾十年來，這一技術(shù)在世界主要產(chǎn)煤國家得到迅速發(fā)展。我國在20世紀(jì)90年代初期開始研究煤巖體化學(xué)加固技術(shù)，并已經(jīng)取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

煤巖體化學(xué)注漿加固就是利用化學(xué)漿液來充填和固結(jié)圍巖(或煤層)的裂隙面，提高圍巖整體性，充分發(fā)揮煤巖體自身承載能力，保持圍巖穩(wěn)定。目前，對破碎煤巖體的注漿加固按材料分為無機(jī)和有機(jī)兩大類。

無機(jī)材料主要以水泥—水玻璃為主，添加各種外加劑(甚至有機(jī)添加劑)，是一種水溶顆粒型漿液，結(jié)石率高，成本低。但由于其結(jié)石體機(jī)械性能差，施工工藝煩瑣，主要用于加固質(zhì)地堅(jiān)硬、裂隙大且變形量小的圍巖體。對于煤體的加固，由于其凝固時(shí)有一定量的水分析出，還會(huì)對煤體產(chǎn)生軟化，起到相反的作用。有機(jī)材料是溶液型漿液，可以滲透到細(xì)小的裂隙中，與各種破碎圍巖有較好的親和力和黏結(jié)力，漿液結(jié)石體具有良好的機(jī)械性能，能滿足圍巖一定的變形量，施工工藝簡單。

1 煤巖體化學(xué)注漿加固技術(shù)的應(yīng)用

1．1 礦井概況

西山煤電股份公司馬蘭礦是我國“七五”期間建設(shè)的國有重點(diǎn)煤礦。1983年11月20日開工建設(shè)，1990年6月27日投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬t/年，服務(wù)年限107年。與礦井相配套的選煤廠設(shè)計(jì)能力為年入洗原煤400萬 t，于1993年10月20日建成投產(chǎn)。礦井采用斜—立井聯(lián)合開拓，現(xiàn)采煤層為02#、2#、8#3 層煤。

1．2 工程概況

12504工作面所采煤層為石炭二疊系山西組2#煤，屬穩(wěn)定可采近水平中厚煤層，煤層厚度2．68～3．57 m，平均厚度3．26 m，為 1#與 2#煤層合并區(qū)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，靠上部含1層夾矸，厚度0．07～0．40 m，平均0．17 m，巖性以粉砂質(zhì)泥巖為主，煤層結(jié)構(gòu)0．29(0．17)2．80。本區(qū)上部 02#煤大部分未采，煤厚 1．05～1．30 m，平均 1．10 m;02#煤與 2#煤層間距 8 ～14 m，平均11 m。工作面采用走向長壁后退式一次采全高全部垮落法的綜合機(jī)械化采煤方法，“四·六”制作業(yè)，1個(gè)班檢修，3個(gè)班生產(chǎn)。

12504工作面在回采過程中，工作面60#～70#架揭露3 條斷層，落差分別為 3．0 m，1．8 m、2．6 m，且落差3．0 m斷層與工作面夾角僅為12°，與工作面斜交至1．8 m斷層處，見圖1。造成工作面59#～64#架頂板難以維護(hù)。為防止漏頂事故的發(fā)生，有效地解決移架、推溜困難問題，加快推進(jìn)速度，經(jīng)研究采用波雷因化學(xué)加固材料及注漿設(shè)備和相關(guān)工藝，對12504工作面進(jìn)行化學(xué)注漿加固，將破碎煤巖體固結(jié)，提高煤體整體強(qiáng)度，為安全、高效回采創(chuàng)造條件。

圖1 12504工作面切眼圖

2 加固方案

2．1 波雷因注漿材料性能

河北同成礦業(yè)科技有限公司研制生產(chǎn)的礦用波雷因注漿加固材料由體積相等的A、B兩種化學(xué)材料組成，當(dāng)A、B兩種化學(xué)材料等量充分混合后，便發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成對煤巖體具有較高黏結(jié)性的有機(jī)彈性體，人為地改善了松軟破碎煤巖體的物理力學(xué)性能，有機(jī)彈性體在破碎煤巖體內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)骨架，起到補(bǔ)強(qiáng)加固、充填密實(shí)等作用，有效地提高了破碎煤巖體的整體強(qiáng)度和抗變形能力。

波雷因材料的性能指標(biāo)如下：

1)乳化時(shí)間：5～10 s

2)不粘手時(shí)間：30～40 s

3)固結(jié)體密度：40～120 kg/m3

4) 抗壓強(qiáng)度：0．3～5 MPa

5)阻燃性能：阻燃氧指數(shù)大于26%

6) 黏結(jié)強(qiáng)度：0．1 ～0．5 MPa

7)漿液密度：1 250 kg/m3

8)漿液黏度：125～300 MPa·s

9)雙液混合比：1∶1

10)20℃時(shí)的儲(chǔ)存期限：6個(gè)月

該漿液注入巖層后，低黏度混合物保持幾秒，滲透進(jìn)入細(xì)小的裂縫膨脹。固結(jié)體具有較高的黏合力和較好的機(jī)械性能，與巖層有較好的親和力，固結(jié)體的柔韌性能較好，可承受一定的塑性變形。

2．2 注漿加固方案

對12504工作面的注漿加固，應(yīng)保證在回采時(shí)頂板和煤體不出現(xiàn)大的片幫和冒頂，使得支架能正常推進(jìn)。同時(shí)考慮到要承受采動(dòng)動(dòng)壓影響，這就要求加固體不僅具有一定的強(qiáng)度，還要有一定的彈塑性，以適應(yīng)超前支撐壓力的變化，因此，決定選用化學(xué)注漿加固材料—波雷因材料對12504工作面進(jìn)行注漿加固。

2．2．1 布孔方案

為了防止12504工作面60#～70#架上方出現(xiàn)較大冒頂現(xiàn)象，在支架前探梁下方300 mm處沿工作面方向打眼，向上呈60°左右，同時(shí)根據(jù)情況在支架中部和后部進(jìn)行打孔，孔深4～6 m，采用錨索鉆機(jī)進(jìn)行打孔，孔徑42 mm，完成鉆孔后，將注漿管分組直接插入冒空區(qū)內(nèi)，注漿管布置見圖2。

2．2．2 注漿壓力

根據(jù)煤體的承受能力和最小抵抗面及工作面圍巖條件，當(dāng)工作面供風(fēng)風(fēng)量不低于3．5 m3/min，供風(fēng)壓力不低于0．5 MPa時(shí)，設(shè)計(jì)巷幫的注漿終壓4～6 MPa，頂板的注漿終壓8～10 MPa，擴(kuò)散半徑均為3 m左右。

圖2 注漿管布置平面示意圖

2．2．3 注漿量預(yù)計(jì)

預(yù)計(jì)每孔注漿量為160～200 kg。

2．2．4 注漿設(shè)備

封孔、注漿均采用ZBQ－12型風(fēng)動(dòng)化學(xué)注漿泵，注漿泵工作原理見圖3，相關(guān)參數(shù)見表1。與注漿設(shè)備配套的進(jìn)風(fēng)管為d25 mm高壓風(fēng)管20 m，出漿管規(guī)格為d10 mm，長度10 m、5 m、2 m各若干根。

圖4 注漿系統(tǒng)布置示意圖

圖3 ZQB－12型風(fēng)動(dòng)化學(xué)注漿泵工作原理圖

表1 ZBQ－12型風(fēng)動(dòng)化學(xué)注漿泵性能參數(shù)表

2．2．5 施工工藝

施工工藝：標(biāo)孔→鉆孔→檢查鉆孔質(zhì)量→安裝注漿管及封孔部件→封孔→準(zhǔn)備漿液→開泵注漿→凝固→檢查注漿質(zhì)量→驗(yàn)收。注漿系統(tǒng)布置見圖4。

2．2．6 施工組織

為了防止波雷因漿液的浪費(fèi)，注漿應(yīng)采用多打眼少注漿的方式，每孔預(yù)計(jì)注入200 kg左右材料。

工作面初次加固完成后，保證工作面在超前加固的前提下進(jìn)行回采，加固循環(huán)進(jìn)度為4～5 m，然后可根據(jù)現(xiàn)場情況考慮第二次注漿。

初次加固時(shí)根據(jù)工作面情況隨時(shí)確定時(shí)間進(jìn)行加固，后期加固時(shí)間根據(jù)工作面頂板情況另定。

3 使用效果

通過使用波雷因化學(xué)注漿材料加固，將破碎煤巖體固結(jié)，提高煤巖體整體強(qiáng)度，使12504工作面頂板、煤幫完整性加強(qiáng)，提高了整體承載能力，為12504工作面安全、高效回采創(chuàng)造安全有利條件。12504工作面過斷層期間，采用1個(gè)班注漿，3個(gè)班生產(chǎn)的生產(chǎn)組措施，共注漿6個(gè)循環(huán)，注漿量12 t，日生產(chǎn)原煤3 500～4 200 t，保證了正常生產(chǎn)。

4 社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益

1)對12504工作面進(jìn)行化學(xué)注漿加固后，工作面頂板、煤幫完整性加強(qiáng)，破碎煤巖體基本固結(jié)，提高了煤體整體強(qiáng)度和整體承載能力，保證了工作面的超前加固，為安全、高效回采創(chuàng)造了條件。

2)加快了12504工作面回采推進(jìn)速度，確保了礦井安全、高效生產(chǎn)。

3)避免了工作面過斷層期間由于冒頂、片幫而構(gòu)頂?shù)墓ぷ髁浚瑴p輕了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了安全系數(shù)。

4)對類似條件下工作面回采過斷層具有指導(dǎo)意義，應(yīng)用前景廣闊。