注浆充填技术在处理小煤窑采空区冒矸中的应用

刘庆顺冯光明贾凯军连小林

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221008; 2.邯郸矿业集团云驾岭煤矿,河北省邯郸市,056300)

★煤炭科技·开拓与开采 ★

注浆充填技术在处理小煤窑采空区冒矸中的应用

刘庆顺1,2冯光明1贾凯军1连小林1

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221008; 2.邯郸矿业集团云驾岭煤矿,河北省邯郸市,056300)

针对云驾岭矿12206工作面回采过程中因揭露小煤窑采空区而导致矸石频繁冒落,影响工作面正常推进的情况,运用高水材料在工作面回风巷对小煤窑采动所破坏的区域进行注浆充填。结果表明,破坏区域的松散矸石和煤体能有效地与充填固结体胶结,具有一定的完整性。

小煤窑采空区 注浆充填 高水材料

AbstractThe advancing of working face has been affected due to the frequent falling of waste rock resulted by disclosing the gobs of small mines during the mining p rocess of working face No.12206 of Yunjialing M ine.In view of this status,w e have used high water material to grout and fill the area in the return roadway damaged by themining operation of the smallmine. A s a result,loose w aste rock and coal fo rmation in damaged area can cement w ith filled concretion body effectively and have a certain degree of integrity.

Key wordssmall co-mine gob area,grouting for backfilling,high water material

邯郸矿业集团云驾岭煤矿12206工作面在回采巷道掘进和工作面开采过程中,揭露了以前小煤窑开采形成的采空区。采空区顶板垮落后形成的下位矸石频繁冒落,对工作面的正常推进产生了严重的不利影响。

1 12206工作面基本情况

1.1 地质概况

邯郸矿业集团云驾岭煤矿12206工作面所在的2#煤层平均厚度4.5 m,煤层下部夹0.10～0.30 m厚的灰黑色粉砂岩夹矸。煤层倾角20～25°,平均为22°。直接顶厚度为4.50 m的灰黑色粉砂岩,泥质胶结;伪顶为厚度0～0.5 m的黑色炭质泥岩或粉砂岩,岩相变化较大,质软性脆,易冒落;老顶为深灰色细粉岩,钙质胶结,致密坚硬,厚度8.0 m。

依据邻近工作面开采揭露的水文地质情况来看,工作面水文地质条件简单,仅断层及裂隙发育地段出现滴淋水,水量小于2.0 m3/h。

1.2 工作面现状

12206工作面在回采的过程中,揭露了以前小煤窑的采空区。小煤窑的开采方式是先掘进巷道,然后再采用后退式回采巷道两帮的煤炭,一般回采范围为10 m宽,高度2 m。由于小煤窑采后仍留有2.5 m厚的底煤和大量的煤柱,小煤窑回采区的回收率只有30%左右,如果不进行复采,大量的资源将白白浪费掉。经研究决定对其进行回收。但小煤窑的回采造成顶板的破坏,在复采区回采中,顶板矸石大量冒落且块度较大,直接影响到工作面的安全生产。为此,需要对工作面煤壁上方的顶板进行支护,并对冒落的大块矸石进行处理,严重影响了回采工作面的安全和回采效率的提高。

1.3 小煤窑采空区采动破坏范围

真实的小煤窑回采巷道分布位置难以准确把握,但通过对工作面推进过程中矸石冒落的情况、冒落带的形状、分布和随后注浆过程中的观察,推测小煤窑采空区是一串互相连通的巷道顶板垮落后形成的。对回采巷道掘进及12206工作面回采过程中所出现的非正常矸石的冒落情况进行分析,可以大致判断出小煤窑采空区的位置如图1所示。

图1 12206面小煤窑巷道分布位置预测图

2 治理方案

经过现场调研,发现12206工作面前方的矸石是由小煤窑回采巷道顶板垮落后形成的。虽然小煤窑回采巷道的分布位置难以确定,但是采空区分布面积较大,且顶板垮落区域互相有通道沟通,可以使用注浆充填这个技术手段来解决该问题。通过注入大量的可胶结性材料,使原来破碎的岩石重新胶结在一起,形成具有一定强度的人工假顶,从而解决推进过程中遇到的顶板破碎易冒落的问题。

2.1 注浆材料的选择

注浆加固材料有化学类与水泥类两种。化学类渗透性较好,但成本高、普遍有毒、污染环境,且强度偏低。水泥类有单液水泥浆、水泥与水玻璃双液浆和高水速凝材料等。单液水泥浆水灰比低、易沉淀泌水、结石率低、可注性差、凝结时间长,且不易控制。水泥与水玻璃双液浆结石率较高,但固结体受水影响后强度降低显著。高水速凝材料具有水灰比高、凝结时间易调节、流动渗透性好、100%结石、固结体不泌水微膨胀、颗粒细可注性好等优点。此外,高水材料固结体具有“亲水”性,即在水中浸泡后强度会略微升高,固结体破裂后具有再胶结性能。可见,高水材料是一种性能优良的新型注浆材料,完全能满足小煤窑采空区注浆充填的要求。经过综合考虑,本次12206工作面小煤窑采空区注浆充填工程中选用由中国矿业大学研制的ZKD型高水速凝材料。在该注浆充填工程中,水灰比确定为4∶1～5∶1。实际操作中,水灰比可进行调整,以满足注浆充填对浆液流动与凝结等性能的要求。

2.2 注浆参数的确定

(1)注浆时间。注浆时间长短与注入围岩中的浆液量的多少、围岩裂隙发育、浆液在裂隙中的流速等因素有关,由于采空区注浆的特殊性,所以不能按照传统的“饱注”作为判断,而是要按照注入浆体能否使采空区下位碎石充分胶结作为依据。在实际注浆过程中,注浆时间难以定量,需要与注浆压力、注浆量等参数配合分析决定。

(2)注浆压力。采空区注浆的特殊性决定了注浆压力不能过大。由于采空区矸石间的空隙较大,在注浆过程中产生的注浆压力主要是由管路阻力所引起的,一般不会超过0.5 M Pa。实际操作中,也要适当地注意注浆压力,要与注浆量结合起来判断是否停止注浆。

(3)注浆量。由于是对大面积的采空区进行注浆充填,实际操作中的注浆总量会比较大,而且难以定量计算,对注浆量的控制只要使得注浆液面不要超过煤层顶板过高即可。实际操作中,应根据相邻注浆孔注浆量情况和跑漏浆情况来确定注浆孔的单孔注浆量。

(4)浆液扩散半径。浆液扩散半径与注浆孔布置、孔深、围岩裂隙状况、浆液性质及注浆压力等情况有关。对于12206工作面的注浆充填工程而言,由于浆液在采空区的流动的规模较大,注浆效果与浆液的扩散半径关系不是很大。同时采空区中存在大量的裂隙使得浆液在采空区中的流动近似于在开放空间的流动,很难确定具体浆液的扩散半径。据12206工作面目前采空区范围内的煤体破碎情况,初步确定浆液扩散半径为1～3 m。

(5)注浆孔布置。对注浆工程而言,注浆孔的布置是极为重要的。在工作面进行注浆针对性和目的性强,但不容易打孔且浆液不容易上行,易产生跑漏浆。在两巷注浆,浆液下行,容易充分充填胶结下位矸石,一旦注浆孔沟通采空区,将会有非常好的注浆效果。因此,综合考虑选择在回风巷进行注浆。注浆孔布置的平面图和剖面图如图2和图3所示。

图2 注浆孔布置平面图

注浆孔的间排距与浆液扩散半径有关。注浆孔的排距的确定条件是要保证相邻注浆孔的扩散半径有一定的交叉。根据12206工作面注浆充填工程的情况和施工操作,确定浅部注浆孔的间排距为3 m,孔深按照钻进的情况而定。顺煤层打钻,钻到采空区后,钻机开始出现吸钻、夹钻等现象,无法继续钻进,这时开始注浆,直到无法进浆为止。经两天的凝固后,再继续在此位置向深部打钻,钻到没有注到浆液的采空区为止,再次进行注浆,以此类推,直到将该区域所有的采空区覆盖为止。

图3 注浆孔布置剖面图

3 注浆实施情况

云驾岭煤矿 12206工作面注浆充填工程于2008年5月开始实施,8月结束。注浆过程中,首先对两巷和工作面煤壁进行喷浆处理,随后采用浅孔注浆与深孔注浆相结合的方式,沿着12206工作面回风巷对煤壁进行注浆。注浆后,工作面前方160 m,约4800 m2范围内的煤体得到了加固。工作面煤壁经过预注浆后的效果如图4所示。

图4 工作面煤壁预注浆效果图

4 注浆充填效果

(1)防止煤壁片帮效果显著。注浆加固前,煤壁片帮、冒顶严重,达到2～3 m,注浆加固后,基本杜绝了煤壁片帮、冒顶现象。

(2)提高了开机效率,减小了停机清理片帮冒落煤岩体的时间,为工作面的顺利推进提供了条件,从而提高了生产效率。

(3)减小了工人劳动强度。由于片帮、冒顶现象的减少,从而减小了人工架设木垛接顶的工作量,减小了对片帮区域提前打设单体液压支柱的工作量,提高了工人的劳动效率。

(4)经过煤壁注浆,提高了煤岩体的整体性和稳定性,为工作面的安全生产创造了条件。

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(责任编辑 张毅玲)

The application of filling technology by grouting in dealing with fallen waste rocks from gobs of smallm ines

Liu Qingshun1,2,Feng Guangming1,Jia Kaijun1,Lian Xiaolin1
(1.School of M ining Engineering,China University of M ining and Technology,Xuzhou 221008,China; 2.Yunjialing Coal M ine of Handan M ining Group,Handan 056300,China)

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刘庆顺 (1970-),男,河北省清苑县人,中国矿业大学采矿工程研究生,主要从事充填开采及沿空留巷等采矿工程方面的研究工作。