下分层综采工作面注浆加固顶板技术研究与应用.pdf

182020 年第 9 期 下分层综采工作面注浆加固顶板技术研究与应用 庞柳阳 郭铁成 程相克 （中国平煤神马能源化工集团平煤股份十矿，河南 平顶山 467000） 摘 要 在平煤十矿己16-24060 下分层综采工作面机巷断层带附近，为了控制机头三角煤破碎顶板，采用在机巷超前段 注射固安特，通过不同钻孔设计的实践对比，得到了合理的钻孔布置方式，为回采工作创造了安全的环境，保证了工作面 支架支护质量，节省了人力物力，加快了工作面的推进。 关键词 下分层 综采 三角煤 加固 中图分类号 TD327.2 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.09.007 Research and Application of Roof Reinforcement Technology by Grouting in Lower Layered Fully Mechanized Mining Face Pang Liuyang Guo Tiecheng Chen Xiangke No.10 Coal Mine of China Pingmei Shenma Energy Chemical Group Co., Ltd., Henan Pingdingshan 467000 AbstractIn Pingdingshan No.10 Coal Mine, in order to control the broken roof of triangle coal in the machine roadway near the fault zone of the machine roadway of 16-24060 lower layered fully mechanized mining face, through the practice comparison of different drilling designs, the reasonable drilling layout was obtained. It creates a safe environment for the mining work, ensures the support quality of the working face, saves manpower and material resources, and accelerates the advancement of the working face. Key words lower layered fully mechanized mining triangular coal reinforcement 收稿日期 2020-03-01 作者简介 庞柳阳（1994），男，河南平顶山人，2017 年毕 业于中国矿业大学采矿工程专业，学士学位，现从事煤矿基层区 队技术管理工作。 1 概况 平顶山天安煤业股份有限公司十矿己16-24060 工作面位于 -320 m 水平己四采区西翼第二区段，南 为已回采结束的己15-24020 采空区、己16-24020 采 空区，北为已回采结束的己15-24080 采空区，上覆 已回采结束的己15-24060 采空区。工作面有效走向 长 1961 m，倾斜宽 135.9154.7 m，平均 144.4 m。煤 层厚度在 0.82.0 m 之间，平均厚 1.5 m。煤层倾角 14.630.7，平均 22左右，外段较陡，向里较缓。 工作面标高 -413 -564 m，工作面埋深 570760 m。 工作面顶板为 0.117.8 m 厚的砂质泥岩夹薄层细砂 岩，其上为己15-24060 采空区假顶，再上为 5.08.0 m 厚的砂质泥岩夹薄层细砂岩含己14煤层。 由于该工作面为下分层工作面，上分层顶板铰 接状况不好，同时机巷应力集中，巷道变形严重， 加之采动影响，回采期间机头三角煤顶板破碎程度 高，采煤机行至机头时容易流渣。为加强施工期间 三角煤顶板安全管理，自该工作面推进约 1230 m 开始在工作面机头做沿走向长度 5 m 长、1.2 m 宽、 1.8 m 高的超前支护。推进至 1550 m 左右，机头推 至上分层工作面断层密集区（H2 m 断层 4 条）， 工作面 40 架到机头煤层倾角达到 30，机头三角 煤煤壁松软易片帮，顶板破碎严重易掉顶，严重制 约本工作面的安全高效回采。通过在机头超前段注 射固安特顶板加固材料，有效地改善了机头三角煤 煤体的坚固性和顶板的整体性，直接减少了过机头 停车维护顶板的工作量和影响时间，为快速通过顶 板破碎区提供了根本保障。 2 固安特材料特征 固安特是一种双液型高分子注浆产品，反应前 材料常温下为液态，具有良好的渗透性，在外力作 用下可渗透到微小的裂隙中的。该材料已广泛应用 192020 年第 9 期 庞柳阳等下分层综采工作面注浆加固顶板技术研究与应用 于井下破碎煤体加固、岩体加固。该产品反应时间 短，粘结性能强，固化物机械性能高，良好的柔韧 性可以承受地层压力的长期作用，并且具有强抗渗 性能、抗磨、抗冲击性能和抗老化性能。注入煤岩 体的高压混合固化物不仅可以打开煤岩体中的裂 缝，而且能够通过膨胀粘合将松软煤体与破碎顶板 粘结起来，以承受工作面机械设备的采动影响。聚 合产品的膨胀系数不小于 1，反应后体积能够达到 原来的 2 倍以上，稳定后聚合产品粘结强度不低于 3 MPa，标准砂固结合体抗压强度不低于 30 MPa。 固安特反应材料技术参数如表 1 所示，固安特聚合 物技术参数如表 2 所示。 表 1 固安特反应材料技术参数表 反应材料树脂催化剂 产品外观淡黄色液体深褐色液体 比重（232 ℃） /（kg/m） 103020123020 粘度（232 ℃） /（MPas） 200300200250 混合体积比11 有效储存期（20 ℃） / 月 66 包装储存规格 /（kg/ 桶） 2327 表 2 固安特聚合物技术参数表 产品参数技术指标 最初粘度（232 ℃） /（MPa s） 200300 反应开始时间（232 ℃）/s4010 反应结束时间（232 ℃）/s7510 抗压强度（max） /MPa 55 抗拉强度（max） /MPa 20 抗剪强度（max） /MPa 20 粘结强度（max） /MPa ≥ 3.0 扩散半径 /m≥ 2（一般裂隙发育） 阻燃特性阻燃 3 注浆工艺及技术要求 3.1 施工前工具及材料准备 液压钻机 1 台，Ф42 mm 钻杆 4 根，Ф42 mm 钻头若干，气动注浆泵 1 台，注射枪 1 个，Ф19 mm 风管 1 根，Ф13 mm 供料高压管 2 根，Ф10 mm 供 液高压管 2 根（长度满足需求即可），快速连接注浆 管若干， 配套封孔器1个， 快速插头1个， 机油及树脂、 催化剂、两种注浆材料适量（根据破碎的裂隙实际 情况来决定材料的用量）。 3.2 施工注浆钻孔 由于工作面机巷压力大，机头三角煤顶板破碎， 且机头段煤层倾角达到 30，结合现场情况及重点 固化目标为机头三角煤顶板，决定在机巷超前范围 内向上施工孔深 4 m 的注浆钻孔。钻孔布置图如图 1 所示。 图 1 超前注浆钻孔布置图 为了使固安特聚合体能够尽可能均匀向超前钻 孔两侧蔓延，在施工钻孔时，使钻孔与煤层剖面相 平行。在施工时通过调整钻孔倾角 a、孔口到超前 顶板的距离 L、孔口到煤墙的距离 X 来研究不同钻 孔方案下的注浆效果。根据工程质量及支护需求， 机头超前破 0.2 m 铰结顶。为钻孔施工方便，同时 可以满足注浆效果，经试验从煤体上开孔，通过调 整倾角将钻孔延伸至铰结顶可以满足要求。因为本 工作面机头段煤层倾角为 30，所以钻孔倾角 a 必 须大于 30才能穿透煤层进入顶板。经计算得当 a 为 45时，4 m 钻孔在水平方向和垂直方向的投 影均为 2.828 m，在煤层倾向方向的投影为 3.9 m， 在煤层法向投影为 1 m。结合在采用不同的角度时 的施工情况发现，固安特聚合体能够从工作面 2 架 顶板处渗出达到期望效果，且在注浆过程中不会在 进入铰结顶以前过多渗入煤体中去。同理，发现 L 为 0.6 m 时，不仅钻孔施工方便，而且聚合体能够 在铅垂方向扩散较好，铰结顶固化位置很准确。此 外，工作面为“三八制”劳动组织，两班生产，圆 班按 5 刀煤组织，循环进尺 0.6 m，正规作业循环 下日循环进尺 3 m，而顶板裂隙较大，结合本产品 扩散半径，经现场试验表明，当 X 为 3 m 时，注浆 20 桶即可达到期望效果，其固化范围够 2 日推进。 当顶板极其破碎，裂隙非常大时，可缩小 X 至 2 m， 每日注浆 1 次，缩小范围，加强小范围顶板固化效 果（对于塌孔严重区域可直接采用自钻式注射管实 现钻孔和注浆一体化进行）。 3.3 安设连接注浆管路 （1）安装注浆管。依次连接粗细两种规格注 浆管，通过调节封孔器安装位置调整封孔深度，一 庞柳阳等下分层综采工作面注浆加固顶板技术研究与应用 202020 年第 9 期 4 结语 （1）注浆支护使断层群破碎、裂隙顶板岩体 间充分粘接及填充，破碎顶板重新形成承载梁，岩 体单轴抗压强度提高至 57 MPa，提高了围岩整体稳 定性，削弱了顶板垂直集中应力破坏作用。 （2）对原顶板支护进行优化后，不仅加强了 锚杆支护效果，降低了锚杆锚固失效率，而且锚杆 安装了让压件，在顶板变形、下沉时锚杆能够适应 顶板塑性变形，避免传统锚杆钢性大、延展性低， 导致顶板变形时锚杆出现剪切破坏现象，提高了锚 杆耦合支护作用。 （3）柔性梯形梁支护与传统钢带相比，支护 面积大，支护强度高，柔韧性强。当破碎顶板出现 变形时，该支护可对顶板进行柔性支护，不仅解决 了传统钢带撕裂、折断现象，而且有效控制了顶板 （上接第 17 页） 下沉、破碎现象。 截至 2019 年 3 月 17 日第二回风巷已完全过断 层群带。通过现场观察发现，对破碎顶板采取联合 支护措施后，顶板未发生冒落现象，顶板最大下沉 量为 0.15 m，与支护前相比下沉量减小了 0.19 m， 保证了巷道安全快速掘进。 【参考文献】 ［1］ 张惠峰 . 应力集中区巷道支护工艺优化 [J]．山东 煤炭科技，2019（12）35-36. ［2］ 王庆杰 . 大断面巷道软岩破碎顶板支护技术应用 [J]．江西煤炭科技，2017（03）106-108. ［3］ 李国峰 . 大采高综采工作面巷道支护技术研究 [J]． 能源技术与管理，2019（05）89-90107. ［4］ 李帅 . 梁式耦合加固技术在巷道顶板控制中的应 用 [J]．陕西煤炭，2019（05）105-108. ［5］ 王斌 . 浅谈软岩巷道的顶板支护技术 [J]. 能源与 节能，2019（01）123-124141. 般距外孔口 3 m。 （2）按照要求接入注浆泵的供风管路和出料管 路。 在注射枪接入注浆管路前， 应首先进行注射试验， 保证注浆管路和泵及其它设备的可靠性。主要通过 观察两种材料的出料比例及混合材料是否反应判断 各设备是否正常。设备安装示意图如图 2 所示。 1- 树脂；2- 催化剂；3- 风源；4- 注浆泵；5- 注射枪； 6- 快速接头；7- 封孔器；8- 出液管路；9- 注浆管 图 2 设备安装示意图 3.4 注浆过程控制 （1）开始注浆。注浆过程中需保证封孔质量， 调整注浆速率。密切观察注浆区域煤岩体是否脱落， 出现漏料、串浆应及时停泵处理。当孔口出浆时， 可用破布或者袋子继续进行封孔，当其它位置出浆 时，应及时停泵，减少漏料，避免浪费。 （2）达到预期注浆效果即可停止注浆。一般 根据现场出料情况确定停注时机。并非注料越多越 好，达到固化效果即可，注浆过多不仅材料费用高， 而且增加生产中的大块率。 （3）注浆完毕后，清洗设备和配件。按照注 浆设备要求进行设备清洗，首先用水清洗泵体抽料 缸体，再用机油清洗催化剂抽料缸。 4 效果 （1）通过在己16-24060 综采工作面机巷超前 段施工注浆钻孔对机头三角煤破碎顶板进行注浆加 固，有效地控制了三角煤壁的片帮以及破碎顶板的 冒落，创造了安全的生产条件。 （2）直接减少了恶劣地质条件下采煤机过机 头的维护工作量和影响时间，节省了人力物力，为 单班 5 刀煤正规作业循环提供了保障。 （3）在工作面顶板周期来压时，注浆后的煤 壁未发生明显片帮，支架端面距符合要求。 （4）渗入破碎顶板的聚合体改善了三角煤顶 板的完整性，保证了倾斜煤层工作面支架的支护质 量，有效地避免了工作面液压支架因不接顶而发生 歪架、咬架等问题。 【参考文献】 ［1］ 景剑峰，李跃祥，付中华 . 固安特注浆加固在 综采工作面顶板控制中的应用 [J]. 煤矿开采， 2011，16（04）66-674. ［2］ 林卫国 . 注浆加固技术在大采高综采工作面过围 岩破碎带中的应用[J].山东煤炭科技， 2013 （02） 215-216. ［3］ 胡志伟 . 断层影响顶板破碎区注马丽散工程实践 [J]. 山东煤炭科技，2015（05）53-54.