注浆技术在松软煤层孤岛工作面中的应用.pdf

扫码移动阅读 第 ４１ 卷 第 ３ 期 ２０２０ 年 ６ 月 煤矿机电 Ｃｏｌｌｉｅｒｙ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ.４１ Ｎｏ. ３ Ｊｕｎ. ２０２０ 刘宏杰. 注浆技术在松软煤层孤岛工作面中的应用[Ｊ]. 煤矿机电ꎬ２０２０ꎬ４１３７５￣７７. ｄｏｉ１０. １６５４５/ ｊ. ｃｎｋｉ. ｃｍｅｔ. ２０２０. ０３. ０２２ 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ꎬ 山西 阳泉 ０４５０００ 摘 要 阳泉煤业集团五矿所采的 ８４１０ 孤岛综采工作面地质条件复杂ꎬ构造区域的煤质地松软ꎬ 对回采作业影响较大ꎮ 使用传统注浆方法成本十分高昂ꎬ严重影响了工作面回采速度和安全生产ꎮ 对挠曲构造区影响范围内进行预注浆加固试验ꎬ试验结果证明ꎬ该注浆方法可以有效地控制顶板ꎬ 降低成本ꎬ提高经济效益ꎮ 关键词 孤岛工作面ꎻ 煤层注浆ꎻ 煤质松软ꎻ 顶板破碎 中图分类号ＴＤ２６５. ４ ＋８ 文献标志码Ｂ 文章编号１００１ －０８７４２０２００３ －００７５ －０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒｏｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｉｓｏｌａｔｅｄ Ｃｏａｌ Ｆａｃｅ ｗｉｔｈ Ｓｏｆｔ Ｃｏａｌ Ｓｅａｍ ＬＩＵ Ｈｏｎｇｊｉｅ Ｎｏ. ５ Ｍｉｎｅꎬ Ｙａｎｇｑｕａｎ Ｃｏａｌ Ｇｒｏｕｐꎬ Ｙａｎｇｑｕａｎ ０４５０００ꎬ Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ８４１０ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｆｕｌｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅ ｉｎ Ｎｏ. ５ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｙａｎｇｑｕａｎ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｘꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｔｅｘｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｒｅａ ｉｓ ｓｏｆｔꎬ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ. Ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈꎬ ｗｈｉｃｈ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｓａｆｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ. Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｐｒｅ￣ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｔｅｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅａꎬ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｒｏｏｆꎬ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔｓ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅꎻ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｇｒｏｕｔｉｎｇꎻ ｓｏｆｔ ｃｏａｌ ｔｅｘｔｕｒｅꎻ ｒｏｏｆ ｂｒｏｋｅｎ 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ꎬ所处水平为 ＋４２０ 水平ꎬ工作面 标高 ４３０ ４７８ ｍꎬ平均４５７ ｍꎻ地面标高８９２ １ ０４３ ｍꎬ平均 ９６５ ｍꎻ埋深 ４３８ ５７３ ｍꎬ平均走向长 １ ５７１ ｍꎬ倾斜长 １９８. ６ ｍꎮ 采用走向长壁后退式综采放顶 煤的采煤方法ꎮ 南部为采区运输大巷ꎬ东北部为已 采的８４１１、８１３２、８１３３ 工作面ꎬ西南部为已采的８４０９ 工作面ꎮ 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ꎮ ８４１０ 工作面巷道 如图 １ 所示ꎮ ８４１０ 工作面的地质条件１５＃煤层煤岩类型为 半亮型 光亮型ꎬ煤层厚度为 ６. ００ ７. ５５ ｍꎬ平均 厚度为 ６. ６４ ｍꎮ 挠曲构造附近预先采取探测方法 进行煤厚探测ꎬ结果显示煤层较厚ꎬ可采指数 １ꎬ变 异系数 １３. ５％ꎮ 煤层倾角 ３ ４０ꎬ平均 ６ꎮ 本面 １５＃煤层的结构较为复杂ꎬ一般含夹矸 ３ ４层ꎬ煤层 结构０. ２２０. １３２. ６１０. ２１２. ２８０. ３００. ８９ꎬ纯 煤厚 ６. ０ ｍꎬ夹矸 ０. ６４ ｍꎮ 顶底板岩体力学性质如 表 １ 所示ꎮ 工作面煤层底板等高线显示其起伏变化较大ꎬ 开采前期为一轴向 ＮＥ 的宽缓背斜形态ꎬ切巷回风 侧有一挠曲构造ꎬ煤层倾角最大为 ２０ ꎻ距切巷 ６８０ ｍ 左右处有一轴向北东的向斜构造ꎬ煤层倾角为 ４ １２ꎻ开采后期整体为一轴向北东的背斜构造ꎬ煤 层倾角为 ４ １４ꎮ 综上可知ꎬ其综采工作面地质条件复杂ꎬ严重影 图 １ ８４１０ 工作面巷道示意图 表 １ 顶底板岩体力学性质 名称岩性厚度/ ｍ岩性特征 老顶细砂岩６. ７８灰黑色ꎬ以石英、长石为主 直接顶泥岩４. ７２ 黑色ꎬ致密ꎬ性脆ꎬ有植物化石及星点 状黄铁矿 直接底细砂岩３. ２０ 灰黑色ꎬ细至粉砂岩ꎬ成分以石英、长 石为主ꎬ含少量植物化石ꎬ上部为灰 白色中砂岩 老底中砂岩２. ７９灰白色ꎬ以石英、长石为主 响了工作面回采速度和安全生产ꎮ 因此ꎬ有必要研 究其预注浆加固方案ꎮ 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ꎬ采煤机截割 范围内大部分割直接顶泥岩ꎬ支架上方由岩石顶板 逐渐过渡为煤层顶板ꎬ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ꎬ故加固重点应在 过渡段[１]ꎮ 考虑到钻孔下斜角度不可过大ꎬ将钻孔 布置为一排ꎬ但单数孔与双数孔仰角不同ꎬ控制范围 为顶板 ０ ５ ｍ 高度内ꎮ 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ꎬ为钻孔布置提供依据[２]ꎮ １. １ 关键点布置方案 对该区域采用关键点法ꎬ每隔１０ ｍ 做一个倾向 剖面图ꎬ并在剖面图上预计倾向上机采高度范围ꎮ 共选取 ４ 个关键点做剖面ꎬ分别为 ａ￣ａ、ｂ￣ｂ、ｃ￣ｃ、ｄ￣ｄ 剖面ꎮ 各关键点位置如表 ２ 所示ꎮ 各个剖面如图 ２ 所示ꎬ虚线 １ 为机头附近机采高度预计ꎮ 表 ２ 关键点位置 对应剖面位置距离停采线 / ｍ ａ￣ａ１３６. ５ ｂ￣ｂ１２６. ５ ｃ￣ｃ１１６. ５ ｄ￣ｄ１０６. ５ 根据关键点处倾向剖面ꎬ先对关键点处钻孔进 行设计ꎬ再依次对其余位置进行设计ꎬ各关键点钻孔 参数见表 ３ꎮ ａ ａ￣ａ 剖面 ｂ ｂ￣ｂ 剖面 ｃ ｃ￣ｃ 剖面 ｄ ｄ￣ｄ 剖面 图 ２ 各关键点剖面示意图 表 ３ 各关键点钻孔参数 剖面 位置距离 停采线 / ｍ 钻孔参数 开孔距顶 板高度/ ｍ 孔深/ ｍ 角度/ ａ￣ａ１３６.５距离顶板 ４. ９５５－６ ｂ￣ｂ１２６.５距离顶板 ３. ０３４－６ ｃ￣ｃ１１６.５距离顶板 ２. ０２３－４ ｄ￣ｄ１０６.５距离顶板 １. ３１５－３ 钻孔设计依据加固重点在顶板过渡段ꎬ机采高 度上方顶板由泥岩过渡到煤层ꎬ揭煤后ꎬ煤顶厚度小 于 ２ ｍ 前ꎬ作为重点加固区域ꎮ １. ２ 钻孔施工方式 必须采用分段成孔方式进行打孔ꎬ分段钻孔施 工分 ３ 个阶段进行 １ 第一阶段ꎮ 套管安装及固定ꎮ 架设好钻机ꎬ 调整完钻进角度后ꎬ首先使用 ϕ１１３ ｍｍ 钻头打孔 ３ ｍꎬ退出钻杆和钻头ꎬ插入套管套管可以采用 １０８ ｍｍ 直径钢管ꎬ每节长 １. ５ ｍꎬ两节之间通过丝扣连 接ꎬ外端一节焊法兰盘ꎬ另外一片法兰盘上焊上直 通ꎬ用于连接高压注浆管ꎮ 上法兰盘ꎬ注双液浆将 􀅱６７􀅱煤矿机电２０２０ 年第 ４１ 卷 套管固定牢固ꎮ ２第二阶段ꎮ 循环钻进及注浆方式ꎮ 套管固 定完成ꎬ打开法兰盘ꎬ将钻机上的 ϕ１１３ ｍｍ 钻头更 换为正常 ９４ ｍｍ 钻头打钻ꎬ继续钻进 １０ ｍꎬ退出钻 杆和钻头ꎮ 采用双液注浆泵ꎬ通过法兰盘进浆口注 浆ꎬ再进行扫孔钻进ꎬ之后每向前钻进 １０ ｍꎬ就进行 １ 次退钻注浆ꎬ通过多次循环反复套孔、注浆ꎬ从而 使浆液扩散至整个钻孔覆盖长度范围ꎬ达到最佳 效果ꎮ ３ 第三阶段ꎮ 钻进成孔、注浆ꎮ 打钻成孔后ꎬ 退出钻杆ꎬ下 ６ 分铁管和 ＰＶＣ 管ꎬ进行注浆ꎮ １. ３ 整体钻孔布置 加固范围为距离停采线 ９６. ５ １３６. ５ ｍꎬ总长 ４０ ｍꎮ 自工作面往外施工ꎬ第 １ 个钻孔位置在距离 停采线 １３６. ５ ｍ 处ꎬ孔距 ３ ｍꎬ到 ９４. ５ ｍ 结束ꎬ孔径 ９４ ｍｍꎬ共布置 １５ 个钻孔ꎬ依次编号为 １＃ １５＃ꎬ如 图 ３ 所示ꎮ 各个钻孔参数如表 ４ 所示ꎮ 图 ３ 钻孔布置方式平面示意图 表 ４ 各个钻孔参数 位置距离 停采线 / ｍ 钻孔参数 开孔高度 距离顶板 / ｍ 孔深/ ｍ角度/ １３６.５４.９５５－６ １３３.５４.６５１－３ １３０.５３.８４２－６ １２７.５３.５３８－３ １２４.５２.８３２－６ １２１.５２.７２９－２ １１８.５２.２２５－４ １１５.５２.０２２０ １１２.５１.７２０－４ １０９.５１.６１８３ １０６.５１.３１５－３ １０３.５１.３１５６ １００.５１.３１５－３ ９７. ５１.３１５６ ９６. ５１.３１５－３ 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ꎮ 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ꎮ ２把注浆泵及附、注浆材料等提前运至施工 地点ꎮ ３将泵、搅拌桶与相应动力源连接ꎮ ４检查泵内的液压油、润滑油量是否满足要 求ꎬ使用前须试运转后方可开泵正常运转ꎮ ５对注浆孔进行封孔作业ꎮ ６封孔材料达到封堵强度后开始注浆ꎮ ７注浆流程ꎮ 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ꎮ ８在注浆过程中ꎬ必须注意观察泵及巷道周围 的状况ꎮ 当煤壁有返浆通过多次暂停泵操作仍有 浆液流出出现时ꎬ通过间歇注浆使已经注入煤体 内的浆液凝固ꎬ泵及注浆管内的浆液不失去流动性ꎬ 从而使封堵漏浆裂隙得到有效封堵ꎬ也可在漏浆严 重时换注双液材料ꎬ待漏浆通道封堵后再次换注单 液材料ꎮ ９清理现场ꎬ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ꎮ 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 ｔꎬ每月推进度为３５ ｍꎬ产量为６ 万 ｔꎮ 注浆后通过注浆区域时现场顶板事故频率明显 下降ꎬ现场作业劳动强度降低ꎬ通过期间停止注浆作 业ꎬ当月推进 ５５ ｍꎬ产量为 １０ 万 ｔꎮ 通过构造区域时注胶量减少 ６８ ｔꎬ减少煤岩体 加固材料消耗成本 １２３. ４ 万元ꎮ 注浆工程成本为 ６０ 万元ꎬ可节省 ６３. ４ 万元ꎮ 当月工作面增产 ４ 万 ｔꎬ以市场销售价格 ４００ 元/ ｔ 计算ꎬ可增加效益 １ ６００ 万元ꎮ ４ 结论 对挠曲构造区范围内进行注浆加固试验ꎬ试验 结果表明ꎬ注浆技术可有效降低成本ꎬ加快工作面推 进速度ꎬ有效提高矿井生产效益[３￣４]ꎮ ８４１０ 工作面 试验的注浆技术可以提高煤体强度ꎬ改变力学性质ꎬ 有效加强顶板的稳定性ꎮ 参考文献 [１] 郭永亮. 新型注浆设备、材料及工艺在赵庄矿的应用[Ｊ]. 山东 煤炭科技ꎬ２０１８１１２５￣１２７. [２] 李军文. 冒顶巷道维护加固技术研究与实践[Ｊ]. 中国高新技 术企业ꎬ２０１２１９７９￣８１. [３] 刘秦岭. 耿村煤矿破碎围岩巷道注浆加固技术应用[Ｊ]. 山东 煤炭科技ꎬ２０１６４４８￣５０. [４] 史智麟. 塔山煤矿破碎围岩注浆加固技术研究[Ｊ]. 科技情报 开发与经济ꎬ２０１０ꎬ２０２２２００￣２０１. 作者简介刘宏杰１９８６ꎬ男ꎬ工程师ꎮ ２００９ 年毕业于中国矿业 大学矿业工程系硕士学位ꎮ 现主要从事煤矿安全开采相关工作ꎮ 收稿日期２０１９ －０５ －０８ꎻ责任编辑贺琪 􀅱７７􀅱２０２０ 年第 ３ 期刘宏杰注浆技术在松软煤层孤岛工作面中的应用