劈裂注浆技术在康平煤田的探索与实践.pdf

第 1 期2022 年 8 月铁法科技采矿工程劈裂注浆技术在康平煤田的探索与实践生产技术部杨志国聂宏杨清成吴琼瑛摘要小康矿在 S2N5工作面进行劈裂注浆试验，成功后在小康矿 W3-101、大平矿 S2S6工作面推广应用，初步掌握了劈裂注浆的关键技术，大大降低了巷道的维修率，取得了较好的试验成果。关键词劈裂注浆软岩巷道支护技术小康矿、大平矿位于康平煤田，矿井煤层顶底板均为软岩，巷道压力大变形快，尽管两个矿井多次进行了支护工艺改进，但巷道变形仍然十分严重，巷道维修量居高不下，严重制约了安全生产。为了解决这一问题，2018 年小康矿同鹤岗新智岩体加固技术研究所合作，共同研发流变性软岩劈裂注浆技术，通过向围岩劈裂注浆，挤压加密围岩，提高抗压强度，增加浆液与围岩的摩擦力提高围岩抗剪力，且浆液与锚杆（锚索）实现全长锚固。该技术在小康矿 S2N5、W3-101 综放工作面进行了试验，并于2020 年 4 月推广到大平矿 S2S6综放工作面，经过三年多的探索与实践，初步掌握了劈裂注浆的关键技术，大大降低了巷道的维修率，提高了经济效益，保证了安全生产，取得了较好的试验成果。1工作面概况1.1小康矿 W3-101 综放工作面情况小康矿 W3-101 综放工作面地表位于工业广场西南部，上限标高-600m，下限标高-700m，工作面走向长 1957m，倾斜宽 260m，可采储量 665 万 t。采煤方法为倾斜长臂综合机械化放顶煤开采。两顺巷道支护采用锚杆+金属圆棚+金属菱形网+喷射混凝土+锚索联合支护。该工作面于 2019 年 5 月投产，至 2021 年 2 月剩余走向长 900m。工作面所采煤层为 1、2 煤层，工业牌号为长焰煤，黑色，沥青光泽，贝壳状断口条带状结构，块状构造,内生裂隙较发育，质脆、以亮煤为主，暗煤次之。工作面煤层结构复杂，1 煤层由 1127 个自然分层组成。2 煤层由111 个自然分层组成，煤层倾角在 514之间，平均 7。该工作面无伪顶，南部煤层上部相变泥岩（夹煤线）、泥质砂岩，厚度 0.64.5m 之间，平均 2.5m。煤层顶板直接顶为油页岩，最厚为 40m，最薄 25m，一般为 35m。黑褐色，以泥质成分为主，层状结构，含碳、富油、易风化，风化后成片状，干后粉碎崩解，不易维护。煤层底板由泥岩、粉砂岩、泥质砂岩组成，以粉砂岩为主，厚度 1.210.2m，主要矿物成分为石英、钾长石、云母，以泥质胶结为主，有时夹薄层泥岩和煤线，具粉砂质结构，块状构造，内生裂隙不发育，无伪底，遇水易膨胀变软。1.2大平矿 S2S6综放工作面大平矿 S2S6综放工作面上限标高-560m，下限标高-690m，工作面走向长 1315m，倾斜宽 300m，可采储量 654.4 万 t。采煤方法为倾斜长臂综合机械化放顶煤开采。两顺巷道支护采用锚杆+金属圆棚+吉吉窑窑54金属菱形网+喷射混凝土+锚索联合支护。该工作面于 2019 年 5 月投产，2021 年 1 月结束。工作面所采煤层为 1、2 煤层，工业牌号为长焰煤，黑色，沥青光泽，贝壳状断口，条带状结构，块状构造,内生裂隙较发育，质脆、以亮煤为主，暗煤次之。1 煤层最大可采厚度为 10.10m，最小为 7.80m，一般为 8.22m。2 煤层最大可采厚度为 6.00m，最小为 3.00m，一般为4.03m。1 煤层自然分层最多 19 层，少者 5 层，一般是由 10 个自然分层组成的复杂煤层。煤层倾角在19之间，平均 7。2 煤层自然分层最多 11层，少者 7 层，一般是由 9 个自然分层组成。煤层倾角在 19之间，平均 7。煤层伪顶为泥岩或炭质泥岩，薄层状，松散易碎，泥质胶结，易风化，块状构造，平均厚度为 0.40m,随采随落。直接顶为黑褐色油页岩，中间夹薄层泥岩，泥页岩、泥灰岩、粘土和菱铁矿透镜体。工作面北厚南薄，最厚为 35.0m，最薄为 25.0m。煤层直接底板主要以灰色、灰白色粉、细砂岩为主，夹深灰色泥岩、粉砂岩及砂砾岩。2软岩巷道特征及破坏类型2.1软岩巷道特征康平煤田软岩富含黏土性矿物，自身强度低，吸水具有强膨胀、显著流变性的特性。在围岩压力作用下，产生流变、碎胀，围岩像挤牙膏一样连绵不断的从巷道薄弱处突破。现有支护主要为刚性支护（圆棚、拱棚），是从外部给定支护力来抵抗围岩的持续流变、碎胀，不足以维持三向应力平衡，是导致巷道变形破坏的主要原因。2.2软岩巷道破坏形式软岩巷道破坏类型主要有底臌、帮臌、顶板下沉和三种共同显现，如小康矿 W3-101 回顺圆棚底梁拱起（图 1）、大平矿南二采区运输机下山（图 2）。图 1 小康矿 W3-101 回顺圆棚底梁拱起图 2 大平矿南二采区运输机下山3劈裂注浆技术原理及流程3.1劈裂注浆原理劈裂注浆技术是以普通硅酸盐水泥、快速堵漏剂和复合型注浆剂等配制浆液，将煤层或油页岩使用 26MPa 的注浆压力劈裂，形成贯通裂隙，为软岩注浆提供通道，浆液逐渐从注浆阻力最小的裂隙向注浆阻力最大的裂隙扩展充填、压密围岩，提高抗压强度，增加浆液与围岩的摩擦力提高围岩抗剪力，浆液与锚杆（锚索）实现全长锚固，来实现对围岩的加固。主要包括可控注浆料的配制技术、劈裂技术和时控性注浆工艺。具体又分为注浆管注浆（图 3）和注浆锚索注浆（图 4）。第 1 期2022 年 8 月铁法科技窑窑55第 1 期2022 年 8 月铁法科技图 3 注浆管灌浆图 4 注浆锚索注浆3.2劈裂注浆工艺流程承压盖板注浆：试验段补喷打承压盖板注浆孔下栓塞注头浆液配制承压盖板注浆。待承压盖板形成 24 小时后，开始劈裂注浆：打劈裂注浆孔下自制铁注头浆液配制劈裂注浆。4劈裂注浆应用实例4.1小康矿对劈裂注浆加固巷道与未注浆加固巷道观测实例小康矿于 2020 年 12 月 10 日至 2021 年 3 月15 日，对 W3-101 回顺超前工作面 40160m 范围内的未劈裂注浆巷道和劈裂注浆巷道进行了连续观测，观测结果为：未进行劈裂注浆巷道在此范围内，巷道累计净宽收敛量 846mm，净高收敛量339mm，棚子变形严重、顶板破碎、下沉严重、棚梁“咔咔”响、混凝土喷体开裂脱落频繁。而劈裂注浆后的巷道在此范围内，巷道累计净宽收敛量 55mm，巷道累计净高收敛量 135mm，棚子变形小，顶板完整，来压显现不明显，混凝土喷体脱落少。可以看出劈裂注浆效果显著（图 5）。图 5W3-101 回顺注浆加固后效果图4.2大平矿 S2S6回顺材料斜巷劈裂注浆实例测点位置（变坡点下 8m 处），该巷道采取了提前劈裂注浆加固，工作面回采结束后，巷道实测中高3380mm（设计中高 3500mm），变形量仅 120mm。实测中宽 4330mm(设计中宽 4600mm)，变形量仅 270mm。巷道喷浆层少量破裂脱落，略见底臌，未进行翻修，保证了该巷道在生产和回撤期间的正常使用（图 6）。图 6 S2S6回顺材料斜巷劈裂注浆效果图窑窑56（下转第 164 页）（上接第 56 页）4.3大平矿 S2S6回顺下车场劈裂注浆实例测点位置（下车场 9m 处），回采结束后，实测巷道中高 3410mm（设计中澳 3500mm），变形量90mm，实测中宽 4460mm(设计中宽 4600mm)，变形量 140mm。巷道喷浆层未出现破裂脱落，巷道略见底臌，未见巷道明显变形（图 7）。图 7S2S6回顺下车场劈裂注浆效果图4.4小康矿 W3-101 综放工作面松动圈测试比对为了验证劈裂注浆效果，在小康矿 W3-101 综放工作面两顺 200m 以外进行了多组松动圈测试，经测试表明，未进行劈裂注浆的巷道松动圈的影响范围平均为 4.5m，经过劈裂注浆后松动圈的影响范围平均为 3m，说明经过劈裂注浆后顶板稳定岩层的厚度增加，松散层厚度减少，对巷道顶板控制效果明显。通过以上劈裂注浆现场实例和观测数据可以看出，劈裂注浆对于提高软岩巷道支护强度方面效果显著，减少了软岩巷道的翻修率，提高了经济效益，为安全生产提供了保障。5存在的问题与探索（1）综放运回顺采用劈裂注浆加固后巷道强度增加，可能造成隅角采空区巷道悬顶，所以在注浆量上还需要进一步探索；（2）注浆时机的掌握，注浆早了容易注不进去，晚了巷道变形大，还需要进一步摸索；（3）能否利用注浆支护替代掘进工作面支护，还有待于探索。6结语通过三年多的劈裂注浆探索实践，小康、大平两个矿井基本掌握了劈裂注浆的关键技术，并在实践中总结了丰富的经验，为软岩巷道的支护探索了一条新路，为矿井安全高效发展奠定了坚实的基第一作者简介：杨志国(1975-)，男，高级工程师。2011 年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业，现任生产技术部生产办副主任工程师。联系电话：[phone]。第 1 期2022 年 8 月铁法科技了员工的工作量。同时，易磨损部位采用方便更换的组件形式，当磨损严重时可随时更换，并且由于备用件加工、运输、更换方便，可大大降低对生产的影响。通过以上例子，可以看到以自制加工的形式，发动技术人才攻关，对企业节能增效方面有着较多可施行的途径。依靠小改小革在企业各角落的广泛应用，可以从成本、材料和人力等方面有效节约开支。作者简介：张明（1971-），男，经济师。1991 年毕业于抚顺煤炭管理干部学校工商管理专业，现任小青矿企管办专员。联系电话：[phone]。窑窑164