赵海峰
(晋能控股煤业集团四台矿,山西 大同 037003)
随着煤矿采煤深度和采煤强度的增加,煤层出现断层的现象愈演愈烈。在开采过程中,在采动压力的作用下产生了冒顶,片帮等事故[1]。因此,要进行改进设计,通过留设防水煤柱,采用注浆加固技术对工作面进行过断层改造。
四台矿12号层81003工作面与上覆煤层的距离极近,位于410盘区的南部,工作面南高北低,该地区煤层厚约3.10~4.50 m,平均为3.75 m,中间是2层的夹石,厚度0.15 m,煤层呈倾斜,角度是3°~5°,平均斜坡是4°,该地区有较多的断层,落差为0.71~1.7 m。工作面开采后,由于断层有较大的落差,揭露了区域内顶板岩层的破碎,造成影响较大,另外片帮、冒顶事件的发生,不仅导致煤炭回采率较低,成本较高,而且还直接威胁着工作面的生产安全[2]。因此,针对四台矿81003工作面的特殊结构,选择注浆加固的过断层方法,其采煤与断层位置关系如图1所示。
图1 采煤与断层位置关系
注浆加固选择渐进注浆的方式来进行[3],渐进注浆方式要求如下:其中一级注管要求进行2次,同时确保测试压力为10 MPa,持续时间在30 min以上;另一方面,二级套管下入后才能进行耐压试验,其中要求二级套管的测试压力为10 MPa,持续时间在30 min以上。二级管试压结束后,必须戴闸阀方可进行钻入,在钻场配备测压装置,待钻孔出水时进行压力测试。在钻孔注浆时,一般采用连续注水,如单孔注水量超过150 t时,可考虑使用间歇注水,在间歇注水期内必须及时冲洗注浆管道。
注浆加固主要采用循序渐进的方式进行注浆,当钻孔是5~7 mm时,进行井下地面自动注浆,当钻孔出水量小于5 m3/h,经多次压后注浆出水量仍大于10 m3/h,则继续进行自动注浆,若未经压后注浆出水量继续大于10 m3/h,则自动注浆泵继续进行井下注浆,达到一定终压后即停注,凝固4 h后经扫孔后再钻入,循环往复至钻孔预计注浆深度为止。
采用树脂和催化剂混合而成的马丽散作为注浆加固材料,该材料粘度较低,注入岩石的扩散速度快,此后可迅速将煤体与岩体相结合,并在短时间内对断层进行加固,同时,马丽散在渗透、机械、胶结等方面也有很好的作用,在抗冲击、抗老化和耐磨等方面也有独特的优点。相对于传统的仅靠泵的压力来挤压浆液,马丽散入断裂后的体积扩大了1.5倍,在很大程度上,不仅节省成本,而且还能提高效率。此外,马丽散不受气候影响,干燥、潮湿地区均可正常使用。因此,马丽散成为注浆加固材料中的首选[4]。
在最短路径原则[5]的基础上,结合断层实际勘查情况,注浆孔位置依次设计在上、下巷,其中,在上巷帮于切眼相距450~500 m处开孔,在下巷帮与切眼相距500~600 m处开孔,共设计上下2排注浆钻孔,每相邻2个上下孔之间间隔5 m,下排孔与底板保持1.1 m的距离,上排孔与顶板保存2 m的距离,深度要大于断层10 m以上。以12号探测钻孔附近注浆孔为例,钻孔设计为:切眼后退450~620 m,合计170 m长。上、下2排钻孔分布,每孔之间间隔5 m,共设计37个钻孔,深55~130 m。上下巷的钻孔设计是相同的,设计示意图如图2所示。
图2 注浆钻孔设计示意图
注浆效果受压力大小的影响,压力大会使煤岩体破碎,强度降低。压力过小会导致注浆范围缩小,加固效果不明显。依据煤体强度和断层发育情况。确定了注浆压力为8~15MPa。
断层破碎带的煤岩体强度也受注浆量的影响。注浆量过少会降低煤岩体裂缝的密实度,相反,过多浪费浆液。注浆量的多少受多个因素影响,如钻孔长度,孔径,浆液粘度以及煤岩体孔隙率等。根据现场断层裂缝发育情况,确定每个钻孔的注浆量为2 t。
如遇到漏浆严重时,可以先停止注浆。漏浆可能是由于压力过大,或者泵送流量过大。可以先降低压力及泵送流量,对漏浆点用棉纱封堵,待漏浆现象消失后,再用正常压力及泵送流量进行工作。
注浆时间的确定。由断层发育情况以及开采方式决定,超前切眼40 m时,裂缝发育程度较好,通透性较高,是最佳注浆区域。
在四台矿12-2号层81003工作面断层上应用注浆加固技术,通过对巷道的片帮、冒顶深度和次数进行现场实时监测,注浆前后的情况对比见表1。
表1 巷道注浆前、后的对比
在四台矿断层注浆加固工程中,共设计钻孔37个,工程进展3 700 m,共消耗注浆材料135 t,平均单孔注浆量达到3.5 t。工程量每天推进3 m,进入断层区域后,注浆区前40 m范围内,受工作面煤墙局部影响,发生片帮、冒顶3次。受此影响,工程进度缓慢,工作面日平均回采不足1.5 m。进入注浆加固区域后,片帮、冒顶现象大大减少,工作面日平均可回采2.5 m左右。通过表1可以得出结论:未注浆区跟注浆区相比,注浆加固后的片帮及冒顶深度和频次都大幅度降低,因此说明注浆加固技术在断层裂缝处理方面有良好的效果。
1)根据最短路径原则,通过对81003工作面断层进行准确的探查,合理安排注浆孔位置,选择渐进式注浆,提高了注浆效果。
2)选择马丽散做为注浆加固材料,不仅节约成本,而且提高了效率。
3)通过回采实验表明:注浆加固工艺在通过81003断层工作面治理效果极佳,不仅片帮、冒顶事故发生次数减少,而且工程安全同时也得到保障。