張國英

(霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033000)

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·試驗(yàn)研究·

綜采工作面過風(fēng)氧化帶注漿技術(shù)研究與應(yīng)用

張國英

(霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033000)

山西某煤礦1805綜采工作面在通過風(fēng)氧化帶的過程中，造成構(gòu)造帶區(qū)域內(nèi)頻繁漏頂，致使運(yùn)輸機(jī)過載無法啟動(dòng)，影響工作面正常推進(jìn)。通過數(shù)值模擬的方法，對(duì)風(fēng)氧化帶構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并對(duì)1805工作面進(jìn)行了注漿加固方案設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了風(fēng)氧化帶充填物的物理力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)了頂板的穩(wěn)定性，對(duì)相似條件下的淺埋深綜采工作面過風(fēng)氧化帶具有一定指導(dǎo)意義。

綜采工作面；風(fēng)氧化帶；填充物；注漿

在煤礦的開采過程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，工作面會(huì)遇到許多地質(zhì)構(gòu)造，例如風(fēng)氧化帶、斷層等。這些出現(xiàn)在工作面開采范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造由于其內(nèi)部圍巖性質(zhì)與頂板圍巖的性質(zhì)不同，會(huì)破壞頂板的完整性，特別是一些圍巖破碎、巖性較差的風(fēng)氧化帶，其內(nèi)部甚至存在大量黏土等松散物質(zhì)。這種性質(zhì)的風(fēng)氧化帶不僅使工作面頂板破碎發(fā)生漏頂，還會(huì)使大量的黏土漏入刮板輸送機(jī)內(nèi)，導(dǎo)致機(jī)頭附著大量黏土無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響了工作面的生產(chǎn)安全及工作效率。因此，對(duì)于淺埋深綜采工作面過風(fēng)氧化帶的頂板穩(wěn)定性及其控制方法的研究具有重要的意義。

1 工作面概況

以山西某礦1805工作面為工程背景，該工作面所在煤層為8#煤下分層，地面標(biāo)高1 000～1 111.2 m，煤層底板標(biāo)高為956.84～966.37 m，上覆基巖和表土層厚度33.63～154.36 m. 1805工作面凈寬為238.8 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為638.9 m，煤層厚度為3.3～3.5 m，平均厚度為3.4 m.

1805工作面煤層頂板一般為砂巖，偽頂為炭質(zhì)砂巖，厚度0～0.15 m，局部發(fā)育，黑色炭質(zhì)砂巖，局部賦存一層約0.05 m白色黏土巖，開采時(shí)隨煤層一起脫層垮落；直接頂為砂巖，厚度5.6 m，巖性特征：深灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，局部夾有黏土巖。在1805工作面輔運(yùn)順槽490 m處發(fā)現(xiàn)風(fēng)氧化帶。風(fēng)氧化帶范圍內(nèi)頂、底板和煤體松軟。1805綜采工作面在通過風(fēng)氧化帶的過程中，造成構(gòu)造帶區(qū)域內(nèi)頻繁漏頂，漏頂后致使運(yùn)輸機(jī)過載無法啟動(dòng)，影響工作面正常推進(jìn)，同時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全也造成一定影響，工作面漏頂情況見圖1. 為確保高效安全生產(chǎn)，急需對(duì)綜采工作面過風(fēng)氧化帶的頂板加固方案進(jìn)行研究。

圖1 1805工作面漏頂圖

2 風(fēng)氧化帶構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

本文選用3DEC數(shù)值模擬軟件對(duì)風(fēng)氧化帶構(gòu)造進(jìn)行模擬研究，圍巖力學(xué)數(shù)據(jù)、構(gòu)造面數(shù)據(jù)分別見表1，表2.

對(duì)模型的最大、最小主應(yīng)力進(jìn)行研究分析，模擬結(jié)果見圖2，圖3.

表1 圍巖力學(xué)數(shù)據(jù)表

表2 斷裂構(gòu)造面力學(xué)數(shù)據(jù)表

圖2 主應(yīng)力跡線模擬圖

圖3 主應(yīng)力方位模擬圖

由圖2，3可以發(fā)現(xiàn)：風(fēng)氧化帶構(gòu)造會(huì)對(duì)主應(yīng)力的方向產(chǎn)生影響，使風(fēng)氧化帶附近的應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)。模型一中，風(fēng)氧化帶周圍最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)0～60°，越接近風(fēng)氧化帶應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度越大。模型二中，風(fēng)氧化帶周圍最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)0°～30°，越接近風(fēng)氧化帶應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度越大。

兩個(gè)模型的風(fēng)氧化帶周圍主應(yīng)力變化的規(guī)律區(qū)別較大，模型一、模型二中，主應(yīng)力分別偏轉(zhuǎn)0～60°、0～30°，模型一偏轉(zhuǎn)較大，并且在兩個(gè)模型中，風(fēng)氧化帶周圍的應(yīng)力場(chǎng)范圍也不同，模型一大于模型二。因此，風(fēng)氧化帶內(nèi)部填充物的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)構(gòu)造周圍的應(yīng)力場(chǎng)變化有較大的影響。

3 工作面過風(fēng)氧化帶方案設(shè)計(jì)

通過注漿加固能夠有效提高破碎巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)其穩(wěn)定性，并且風(fēng)氧化帶和頂板砂巖風(fēng)化潮解，尤其遇水后極不穩(wěn)定，對(duì)工作面及順槽的圍巖穩(wěn)定均有影響。因此，為防止工作面局部漏頂保證工作面正常推進(jìn)，需要對(duì)風(fēng)氧化帶進(jìn)行預(yù)注漿加固。

具體方案：在工作面揭露風(fēng)氧化帶位置的煤壁上打孔，預(yù)注馬麗散對(duì)煤壁和頂板進(jìn)行加固。注漿孔深度為6 m. 注漿后工作面推進(jìn)4 m，進(jìn)行第二次注漿，然后工作面再推進(jìn)4 m，進(jìn)行第三次注漿。依次循環(huán)，直至推過風(fēng)氧化帶為止。工作面加固范圍為：工作面至前方60 m范圍，總共需要注15個(gè)循環(huán)。每個(gè)循環(huán)施工注漿孔數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露范圍確定。

3.1 工作面注漿加固方案

回采工作面注漿孔采用“三花孔”布置，孔距為3 m，平孔與頂孔交替布置。注漿孔施工角度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定。馬麗散的注漿比例為1∶1. 工作面內(nèi)注漿布孔方案見圖4.

圖4 工作面注漿孔布置方案圖

3.2 順槽兩幫加固方案

為保證1805順槽在工作面推進(jìn)過程中頂板安全，需對(duì)巷道兩幫及頂板進(jìn)行加固。此段區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)維護(hù)工作，必須在工作面距風(fēng)氧化帶20 m之前完成，防止超前應(yīng)力對(duì)此區(qū)域內(nèi)的煤、巖造成再次破壞。

1) 在巷道兩幫風(fēng)氧化帶揭露區(qū)域，提前注馬麗散加固。注漿孔布置數(shù)據(jù)、布置方式與工作面孔布置方式相同。施工位置有兩種：沿著風(fēng)氧化帶走向布孔；從巷道煤壁打孔，找到風(fēng)氧化帶位置，進(jìn)行布孔。如以上任何一種方式效果不佳，可兩種方式結(jié)合使用。

2) 順槽與風(fēng)氧化帶交叉點(diǎn)承壓三角煤柱加強(qiáng)支護(hù)。由于此處煤體與風(fēng)氧化帶夾角較小，受集中應(yīng)力及采動(dòng)影響，極易片幫垮落，一旦片幫會(huì)導(dǎo)致此處空頂面積增大，因此有必要采取加固措施。除去注漿加固外，考慮在此處施工幫錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，先打錨桿后注漿。順槽氧化帶注漿鉆孔布置方案見圖5，順槽與風(fēng)氧化帶交叉點(diǎn)支護(hù)示意圖見圖6.

圖5 順槽氧化帶注漿鉆孔布置方案圖

圖6 順槽與風(fēng)氧化帶交叉點(diǎn)支護(hù)示意圖

工作面過風(fēng)氧化帶具體操作要求：1) 加強(qiáng)及時(shí)支護(hù)。堅(jiān)持使用單架依次順序移架，這種移架方式卸載截面積小，頂板變形量也較小，采煤機(jī)割煤時(shí)，支架采用追機(jī)移架作業(yè)方式，煤機(jī)每割完1架，支架必須及時(shí)前移，使支架緊跟前滾筒，減少頂板暴露時(shí)間，防止破碎頂板變形和離層，可以對(duì)破碎頂板進(jìn)行有效控制。另當(dāng)工作面空頂面積較大時(shí)，必須及時(shí)拉出超前架。根據(jù)工作面實(shí)際情況，過破碎帶期間回采時(shí)，采高需控制在3.3～3.6 m. 2) 加快工作面推進(jìn)速度。

合理組織工作面的生產(chǎn)，確保生產(chǎn)班完成正規(guī)循環(huán)，提高工作面的推進(jìn)速度，減小單體支柱的支護(hù)時(shí)間，能夠有效減小頂板在超前壓力作用下的破壞。過1805工作面漏頂區(qū)域時(shí)，必須做好隨時(shí)處理故障的準(zhǔn)備，并組織生產(chǎn)。在條件允許的情況下，按照正規(guī)循環(huán)作業(yè)，并根據(jù)頂板情況進(jìn)行調(diào)整，合理分配工作人員。

4 結(jié) 語

山西某煤礦1805綜采工作面在通過風(fēng)氧化帶的過程中，造成構(gòu)造帶區(qū)域內(nèi)頻繁漏頂，漏頂致使運(yùn)輸機(jī)過載無法啟動(dòng)，影響工作面正常推進(jìn)，同時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全也造成一定影響。本文對(duì)風(fēng)氧化帶附近的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，認(rèn)為風(fēng)氧化帶構(gòu)造內(nèi)部填充物的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)構(gòu)造周圍的應(yīng)力場(chǎng)變化有著巨大的影響，填充物的物理力學(xué)性質(zhì)越差，主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度越大，構(gòu)造應(yīng)力越復(fù)雜。因此，需要對(duì)風(fēng)氧化帶構(gòu)造內(nèi)部進(jìn)行注漿加固，本文對(duì)1805綜采工作面過風(fēng)氧化帶圍巖注漿加固進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，加強(qiáng)風(fēng)氧化帶充填物的物理力學(xué)性質(zhì)，從而增強(qiáng)穩(wěn)定性，保證了工作面的安全高效生產(chǎn)。

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Research and Application of Grouting Technology for Wind Oxidized Zone in Fully Mechanized Coal Mining Face

ZHANG Guoying

In the process of 1805 fully mechanized coal mining face in a coal mine in Shanxi Province, the fall of the roof coal are frequently occurred, made the conveyor belt can not operate normally due to the oxidized coal seam zone, which also affect the normal mining. Based on the numerical simulation method, the distribution laws of tectonic stress field in wind oxidized zone are studied. The design of the grouting reinforcement was carried out on the working face, which strengthened the physical and mechanical properties of the fillings, and enhanced the stability of the roof, and the practice is of some guiding significance for the shallow oxidation and airslake zone under the similar condition.

Fully mechanized coal mining face; Wind oxidized zone; Filler; Grouting

2017-03-05

張國英(1986—)，男，山西臨猗人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事綜采技術(shù)管理工作

(E-mail)441967596@qq.com

TD265.4

B

1672-0652(2017)05-0025-03