工作面过陷落柱软弱顶板管棚加固技术研究_崔志强.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 工作面遇陷落柱时， 由于陷落柱边缘与煤体交界 部分十分软弱， 因此， 极易发生片帮、 冒顶事故。目前 针对陷落柱常采用两种方法治理，第一种是后处理， 即工作面出现片帮迹象时， 及时采用化学浆加固顶板 和煤壁， 依靠强大的粘接性能， 提高承载能力和稳定 性， 必要时配合玻璃钢锚杆对工作面煤壁进行支护[1]； 第二种是预处理， 即超前工作面一定距离， 在两顺槽 向陷落柱施工深孔， 采用超细水泥注浆材料， 通过预 注浆提高煤壁和顶板完整性和强度，减轻工作面片 帮、 冒顶现象[2]。 相比而言， 第二种更具有技术优势。 但 大多工程实践表明， 针对软弱顶板， 超前预注浆不能 取得理想的效果。因为超细水泥为无机材料， 粘接性 能差， 受压后浆体与煤体沿结构面产生滑移， 裂隙重 新张开， 容易发生片帮， 软弱顶板抗拉强度极低， 一旦 发生片帮， 顶板失去支撑必然发生破碎、 冒落。因此， 必须设法提高顶板自身稳定性。 管棚加固技术在隧道 施工中广泛应用， 通过管棚形成的假顶， 可以顺利通 过破碎区域， 该技术在煤矿应用较少。本文以赵庄二 号井 2309 工作面为例，研究工作面过陷落柱软弱顶 板管棚加固技术。 1工程概况 赵庄二号井 2309 工作面走向长 1500m，倾斜长 160m， 开采 3 煤层， 平均厚度为 4.5m， 煤层在走向上 和倾向上近水平。采用放顶煤开采方式，机采高度 2.8m，放煤高度 1.7m，布置 23091 和 23092 两条顺 槽， 均沿顶板掘进。工作面在回采进度 810m 位置探 测到一陷落柱 JDX16，走向上范围为回采进度 810m～870m， 倾向上范围为距离 23091 巷 20m～60m， 如图 1 所示。 图 1JDX16 陷落柱与工作面位置关系示意图 2309 工作面煤层强度低， 节理、 裂隙发育， 松软 破碎， 直接顶为易风化复合泥岩， 厚度 2～3m， 容易发 生下沉， 甚至冒落， 在顺槽掘进中已有体现， 顺槽中存 在多处冒顶区。工作面推进到 JDX16 陷落柱时， 预计 工作面过陷落柱软弱顶板管棚加固技术研究 崔 志 强 （晋城煤业集团赵庄煤业 ， 山西 晋城 048000 ） 摘要 针对工作面过陷落柱时，软弱顶板容易发生冒顶的问题，提出管棚加固方式提高顶板稳定 性， 介绍了管棚加固技术原理， 分析了管棚合理层位、 管棚间距和管棚材质选择， 最后根据赵庄二号井 工作面 JDX16 陷落柱进行了管棚加固现场试验。结果表明 80m管棚加固区域， 钻孔总进尺 6382m， 消耗 φ73mm的无缝钢管 5670m，累计使用注浆材料 149.8t，工作面通过陷落柱区域未发生冒顶现 象， 平均推进速度 2.4m/d， 管棚加固效果良好。 关键词 陷落柱 ； 软弱顶板 ； 管棚加固 ； 合理层位 ； 管棚间距 中图分类号 TD323文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0015- 03 Study on Reinforcement Technology of Weak Roof Slab in Working Face over Collapse Column CUI Zhiqiang （JinchengCoal IndustryGroup ZhaozhuangCoal Mine , Jincheng Shanxi 048000 ） AbstractWhen the working face passes over the collapse column, the weak roof is prone to roof collapse. The pipe shed reinforcement is proposed to improve the stability of the roof. The principle of pipe shed reinforcement technology is introduced. The reasonable stratification of the pipe shed, the spacing of the pipe shed and the material selection of the pipe shed are analyzed. Finally, the field test of pipe shed reinforcement was carried out according to the JDX16 collapse column of the working face of Zhaozhuang No. 2 well. The results showthat 80m pipe shed reinforcement area, the total drilling footage is 6382m, the seamless steel pipe of φ73mm is consumed 5670m, the cumulative use of grouting material is 149.8 tons, and the working face passes through the collapse column area without roofing phenomenon, and the average propulsion speed is 2.4m/d. The pipe shed reinforcement effect is good. Keywords collapse column ; weak roof; pipe shed reinforcement ; reasonable horizon ; pipe shed spacing 15 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 将会对回采产生严重影响， 必须进行加固。 2管棚加固技术原理 管棚加固技术是在顺槽内向构造区上方顶板施 工钻孔， 根据顶板软弱程度设计管棚间距， 将无缝钢 管逐节连接送入孔内，然后通过注浆将无缝钢管固 定， 形成类似全长锚固结构， 提高管棚对于顶板下沉 的敏感性， 软弱顶板通过加入管棚， 二者同步变形， 利 用钢管的抗弯抗折性能极大地提高了顶板的抗拉能 力， 且管棚形成的结构能够利用稳定区提供的承载力 对破碎区提供有效支撑力， 从而提高整体的抗变形能 力， 如图 2 所示。 图 2管棚作用原理示意图 管棚合理层位 根据长期的工程实践， 当软弱顶 板厚度 ＜3m时， 应将管棚布置在顶板中部位置， 当软 弱顶板厚度 ＞3m时，应将管棚布置在距离软弱顶板 底部 1.5m位置。 若布置层位过高， 则对管棚层位下方 顶板控制能力减弱， 容易发生冒顶； 若布置层位过低， 则管棚控制顶板高度过小， 顶板容易连同管棚一起发 生冒落。 管棚间距 管棚间距越大， 钢管之间联系越弱， 效 果越差， 适当减小间距， 有利于管棚作用发挥， 但钻孔 过密时， 容易对顶板结构造成破坏， 降低顶板原始强 度， 因此， 管棚间距以 0.5m～1.5m为宜。 管棚材质 管棚的作用在于抗弯抗折性能， 提高 材质的刚度尤为重要，当材质的直径和壁厚增大时， 能够显著提高材质的刚度， 因此， 现场一般选用直径 超过 φ50mm、 壁厚超过 5mm 的无缝钢管， 根据钻孔 孔径， 钢管直径不宜超过 φ108mm， 同时应在钢管接 头处加长丝扣， 提高接头处稳定性。当现场条件十分 恶劣时， 甚至可以直接采用刚度极大的钻杆代替无缝 钢管。 3管棚技术加固工业性试验 3.1钻孔布置 钻孔布置原则陷落柱的典型特点为中部坚硬， 边缘松软，因此以加固重点为陷落柱与煤体交界面。 陷落柱影响区域不再进行放煤， 工作面沿煤层顶板推 进， 布置上、 下两排钻孔， 上排钻孔加固顶板， 层位在 机采高度上方 1.5m， 加入管棚， 钻孔深度应超过陷落 柱边缘 10m， 下排孔加固机采高度中上部， 即顶板下 方 1.2m位置， 加固范围为陷落柱边缘， 超过陷落柱边 缘 5m， 孔深 25～70m不等， 如图 3 所示。 （a ） 上排顶板钻孔俯视图（b） 下排帮部钻孔俯视图 （c ）钻孔加固层位及范围剖面图 图 3钻孔加固层位及范围示意图 陷落柱靠近 23091 巷一侧，在 23091 巷布置深 孔， 钻孔上下两排， 考虑钻杆下沉因素， 上排钻孔距离 顶板 0.5m， 仰角 3， 孔深 70m， 间距 1m； 下排孔距离 顶板 1.2m， 仰角 1， 孔深 25～70m， 间距 5m， 孔径均 为 φ94mm， 钻孔布置平面图如图 4 所示。下排钻孔 各钻孔深度见表 1 所示。 图 4注浆钻孔布置平面图 表 1下排钻孔各钻孔深度表 3.2管棚布置方式 上排孔顶板加固采用管棚方式，选用直径 φ73mm、 壁厚 6mm 的无缝钢管， 2m/ 节， 每个钻孔采 用 35 节全长插管， 采用丝扣连接， 总长 70m。 下排钻孔层位在机采高度范围，考虑采煤机割 煤， 不可加入管棚， 仅进行注浆。 编号位置/回采进度钻孔深度/m编号位置钻孔深度/m 1800m7010845m27 2805m7011850m30 3810m4112855m33 4815m3313860m41 5820m3014865m45 6825m2715870m48 7830m2616875m70 8835m2517880m70 9840m26 16 ChaoXing （上接第 14 页 ） 风及行人的要求， 虽然靠近工作面侧的巷帮深基点变 形较大， 但是整体性良好， 因此 2- 1012 巷道支护合 理， 在回采过程中能够保证巷道正常安全的使用。 4结论 紫晟煤业 2- 1012 巷道顶板为软弱顶板， 通过现场 实测发现巷道产生变形的主要原因是由于软弱顶板不 能承受足够的水平应力， 从而导致顶板发生剪切破坏， 锚索断裂失效，所以在最大水平应力理论的基础上进 行优化， 得到锚杆 锚索 工字钢的联合支护。 经过数 值模拟及现场应用实测发现该支护体系能够保证 2- 101 工作面回采过程中巷道正常安全的使用。 参考文献 [1] 郭磊. 弱胶结软岩托顶煤巷道顶板锚固支护机理研究及 应用[D].山东科技大学,2017. [2] 孔祥松. 山西焦煤煤巷围岩稳定性分类与强帮强角支护 技术研究[D].中国矿业大学 （北京） ,2014. [3] 苏锋. 煤巷复合顶板的变形破坏规律分析及合理支护技 术研究[D].西安科技大学,2012. [4] 黄达,康天合,段康廉.水平应力对巷道软弱互层顶板岩体 破坏的数值模拟研究 [J]. 太原理工大学学报,2004 （03） 299- 303. 作者简介 任文奎 （1985-） ， 男， 山西霍州人， 2008 年 7 月毕业于山 西煤炭职业技术学院煤炭开采技术专业， 2016 年 1 月毕业 于山西大同大学采矿工程专业， 工程师 （中级） ， 现从事工作 （或研究方向） 采矿工程。（收稿日期 2019- 5- 24） 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 3.3注浆管 上排钻孔 直接利用无缝钢管作为注浆管， 管口 加工转接头可以与 φ19mm高压胶管接头连接； 下排钻孔 外部 10m采用 6 分铁管， 2m/ 节， 使用 5 节， 内部采用 PVC管到达孔底。 3.4注浆材料及注浆方式 注浆材料分为两种，缓凝材料作为主要材料， 出 现漏浆时采用速凝材料进行堵漏 1 ） 缓凝材料 水泥 - 纳米灌注剂， 水泥采用 52.5 级普通硅酸盐水泥，辅以 XPM纳米灌注剂为主要添 加剂， 浆液水灰比为 11 0.15， 可根据裂隙发育程度 来具体确定，凝胶时间为 6～15h，结石抗压强度为 5MPa 以上， 用于灌注、 充填较小裂隙； 2 ） 速凝堵漏材料水泥水玻璃浆，水泥采用 52.5 级普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度为 30～40B, 模数为 n2.4～3.4，水泥浆和水玻璃体积比例为 1 0.8～10.5，凝胶时间为 1～3min，结石抗压强度为 5MPa 以上， 用于快速凝固堵漏。 3.5效果考察 加固范围为回采进度 800m～880m， 共 80m长度， 累计施工上排钻孔 81 个， 下排钻孔 17 个， 钻孔总进 尺 6382m，消耗 φ73mm、壁厚 6mm 的无缝钢管 5670m， 上排孔平均单孔注浆量 0.8t， 下排孔平均单孔 注浆量 5t， 累计使用注浆材料 149.8t。 工作面推进到陷落柱区域时， 帮部揭露下排钻孔 注浆管， 发现管内、 孔内、 钻孔上下 2m 范围的裂隙， 均得到凝固浆液填充， 扩散效果良好， 顶板发生轻微 下沉， 未发生冒顶现象， 工作面正常推进速度 3m/d， 通过 60m 构造区累计用时 25d，平均推进速度 2.4m/d， 工作面顺利通过 JDX16 陷落柱。 4结论 1 ）工作面过陷落柱软弱顶板区域，仅依赖注浆 难以起到良好效果， 必须配合管棚加固技术提高顶板 自身稳定性； 2 ）介绍了管棚加固技术原理，分析了管棚合理 层位、 管棚间距和管棚材质选择； 3 ）针对赵庄二号井 JDX16 陷落柱，设计了管棚 加固注浆方案并进行了现场试验，钻孔总进尺 6382m， 消耗 φ73mm 的无缝钢管 5670m， 累计使用 注浆材料 149.8 吨， 工作面通过陷落柱区域未发生冒 顶现象， 平均推进速度 2.4m/d， 管棚加固效果良好。 参考文献 [1] 于宪阳,张农,张海韦,等.高分子化学注浆材料处理巷道 大范围冒顶研究 [J].煤矿安全， 2010， 6 10- 13. [2] 王全明. 赵庄矿工作面复合顶板深孔预注浆加固技术[J]. 煤矿安全， 2018， 49 （11） 80- 83. 作者简介 崔志强 （1984-） ， 男， 山西晋城人， 2017 毕业于中国矿业 大学， 现在山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司生产技术部 任职， 主要从事采煤和掘进方面的工作。 （收稿日期 2019- 3- 13） 17 ChaoXing