注浆技术在松软煤层孤岛工作面中的应用

刘宏杰

(阳泉煤业集团 五矿， 山西 阳泉 045000)

0 引言

阳泉煤业集团五矿所采的8410孤岛综采工作面井下位于四采区，所处水平为+420水平，工作面标高430～478 m，平均457 m；地面标高892～1 043 m，平均965 m；埋深438～573 m，平均走向长1 571 m，倾斜长198.6 m。采用走向长壁后退式综采放顶煤的采煤方法。南部为采区运输大巷，东北部为已采的8411、8132、8133工作面，西南部为已采的8409工作面。工作面共布置进风顺槽、回风顺槽、切巷、低位抽采巷及高抽巷5条巷道。8410工作面巷道如图1所示。

8410工作面的地质条件:15#煤层煤岩类型为半亮型～光亮型，煤层厚度为6.00～7.55 m，平均厚度为6.64 m。挠曲构造附近预先采取探测方法进行煤厚探测，结果显示煤层较厚，可采指数1，变异系数13.5%。煤层倾角3 °～40 °，平均6 °。本面15#煤层的结构较为复杂，一般含夹矸3～4层，煤层结构：0.22(0.13)2.61(0.21)2.28(0.30)0.89，纯煤厚6.0 m，夹矸0.64 m。顶底板岩体力学性质如表1所示。

工作面煤层底板等高线显示其起伏变化较大，开采前期为一轴向NE的宽缓背斜形态，切巷回风侧有一挠曲构造，煤层倾角最大为20 °；距切巷680 m左右处有一轴向北东的向斜构造，煤层倾角为4 °～12 °；开采后期整体为一轴向北东的背斜构造，煤层倾角为4 °～14 °。

综上可知,其综采工作面地质条件复杂,严重影响了工作面回采速度和安全生产。因此，有必要研究其预注浆加固方案。

图1 8410工作面巷道示意图

表1 顶底板岩体力学性质

1 深孔钻孔布置方案准备

工作面机头处支架俯斜角度较大，采煤机截割范围内大部分割直接顶泥岩，支架上方由岩石顶板逐渐过渡为煤层顶板，控制关键方向为支架俯斜开采至揭煤处的顶板强度较低区域，故加固重点应在过渡段[1]。考虑到钻孔下斜角度不可过大，将钻孔布置为一排，但单数孔与双数孔仰角不同，控制范围为顶板0～5 m高度内。

方案设计前需要确定工作面行进到注浆区域时的机采高度范围，为钻孔布置提供依据[2]。

1.1 关键点布置方案

对该区域采用关键点法，每隔10 m做一个倾向剖面图，并在剖面图上预计倾向上机采高度范围。共选取4个关键点做剖面，分别为a-a、b-b、c-c、d-d剖面。各关键点位置如表2所示。各个剖面如图2所示，虚线1为机头附近机采高度预计。

表2 关键点位置

根据关键点处倾向剖面，先对关键点处钻孔进行设计，再依次对其余位置进行设计，各关键点钻孔参数见表3。

(a) a-a剖面

(b) b-b剖面

(c) c-c剖面

(d) d-d剖面

表3 各关键点钻孔参数

钻孔设计依据：加固重点在顶板过渡段，机采高度上方顶板由泥岩过渡到煤层，揭煤后，煤顶厚度小于2 m前，作为重点加固区域。

1.2 钻孔施工方式

必须采用分段成孔方式进行打孔，分段钻孔施工分3个阶段进行：

1) 第一阶段。套管安装及固定。架设好钻机，调整完钻进角度后，首先使用φ113 mm钻头打孔3 m，退出钻杆和钻头，插入套管(套管可以采用108 mm直径钢管，每节长1.5 m，两节之间通过丝扣连接，外端一节焊法兰盘，另外一片法兰盘上焊上直通，用于连接高压注浆管)。上法兰盘，注双液浆将套管固定牢固。

2)第二阶段。循环钻进及注浆方式。套管固定完成，打开法兰盘，将钻机上的φ113 mm钻头更换为正常94 mm钻头打钻，继续钻进10 m，退出钻杆和钻头。采用双液注浆泵，通过法兰盘进浆口注浆，再进行扫孔钻进，之后每向前钻进10 m，就进行1次退钻注浆，通过多次循环反复套孔、注浆，从而使浆液扩散至整个钻孔覆盖长度范围，达到最佳效果。

3) 第三阶段。钻进成孔、注浆。打钻成孔后，退出钻杆，下6分铁管和PVC管，进行注浆。

1.3 整体钻孔布置

加固范围为距离停采线96.5～136.5 m，总长40 m。自工作面往外施工，第1个钻孔位置在距离停采线136.5 m处，孔距3 m，到94.5 m结束，孔径94 mm，共布置15个钻孔，依次编号为1#～15#，如图3所示。各个钻孔参数如表4所示。

图3 钻孔布置方式平面示意图

表4 各个钻孔参数

2 注浆过程及工艺

工作面从里往外按照钻孔编号顺序施工。具体施工步骤如下：

1)注浆施工前准备好注浆所需注入的材料、注浆所用各类设备、封孔用的耗材等。

2)把注浆泵及附、注浆材料等提前运至施工地点。

3)将泵、搅拌桶与相应动力源连接。

4)检查泵内的液压油、润滑油量是否满足要求，使用前须试运转后方可开泵正常运转。

5)对注浆孔进行封孔作业。

6)封孔材料达到封堵强度后开始注浆。

7)注浆流程。检查泵及注浆管路的连接等情况―打开输出阀门―开始注浆―暂停注浆―继续注浆―结束注浆―用清水清洗泵和注浆管路。

8)在注浆过程中，必须注意观察泵及巷道周围的状况。当煤壁有返浆(通过多次暂停泵操作仍有浆液流出)出现时，通过间歇注浆使已经注入煤体内的浆液凝固，泵及注浆管内的浆液不失去流动性，从而使封堵漏浆裂隙得到有效封堵，也可在漏浆严重时换注双液材料，待漏浆通道封堵后再次换注单液材料。

9)清理现场，使用后保持注浆泵、注浆管、料桶、搅拌桶与截止阀等设备清洁。

3 效果检验

8410工作面在注浆前通过构造时每月消耗煤岩体加固材料60 t，每月推进度为35 m，产量为6万t。

注浆后通过注浆区域时现场顶板事故频率明显下降，现场作业劳动强度降低，通过期间停止注浆作业，当月推进55 m，产量为10万t。

通过构造区域时注胶量减少68 t，减少煤岩体加固材料消耗成本123.4万元。注浆工程成本为60万元，可节省63.4万元。

当月工作面增产4万t，以市场销售价格400元/t计算，可增加效益1 600万元。

4 结论

对挠曲构造区范围内进行注浆加固试验，试验结果表明，注浆技术可有效降低成本，加快工作面推进速度，有效提高矿井生产效益[3-4]。8410工作面试验的注浆技术可以提高煤体强度，改变力学性质，有效加强顶板的稳定性。