试验研究采用注浆加固技术防止石门

试验研究采用注浆加固技术防止石试验研究采用注浆加固技术防止石 门门 石门揭开突出危险煤层 是煤炭生产企业在巷道掘进过程中 一项十分危险又不得不面对的工作 由于矿山地压 煤层瓦斯 煤体自身物理特性等诸多因素 造成石门揭煤时经常发生煤与瓦 斯突出 1 突出一旦发生 轻则造成巷道冒顶 设施损坏 重则摧 毁矿井通风系统 造成重大人员伤亡 损失难以估量 目前石门揭 煤常用的防突措施有 超前钻孔卸压 预抽排瓦斯 水力冲孔 金 属骨架等 这些措施虽对突出起到了一定的防治作用 但它们没 有从根本上考虑在突出中起决定作用的煤体强度和瓦斯释放条 件 而只是着眼于煤岩弹性能和瓦斯潜能的释放 2 常规的防突 措施一般都使煤体受到不同程度的破坏 降低了煤体的自身承载 能力和对突出的抵御作用 对松软煤层或地质构造破碎带 影响更 为严重 而这些区域正是突出的多发区 常规的防突措施还存在 揭煤时间长 严重地制约着煤矿的正常生产衔接 3 1 注浆加固防突机理注浆加固防突机理 1 1 煤与瓦斯突出过程分析石门揭开有瓦斯突出危险的煤层 时 突出能量集中 突出强度大 瓦斯涌出量高 典型突出比例多 对 煤矿生产造成的灾害也最严重 当石门接近煤层时 在煤岩交界 面附近两侧 岩石 煤体的力学性质相差悬殊 这种差异产生其变 形的突变 应力不连续 当煤层揭开之前 瓦斯未经排放 保持着原 始高压状态或受到掘进集中应力的影响 煤体处于超原始高压状 态 这样在煤体受到掘进施工 如放炮瞬间 的影响 煤体内应力状 态突然变化 煤体内的应力梯度可能达到很高的数值 在煤岩交界 面应力突变值会更高 而且 新暴露煤体的受力状态由三向受力变 为二向受力状态 如果此时煤体松软 强度低 不能有效抵抗这个 高应力的冲击和高压瓦斯膨胀力的作用 就有可能发生煤与瓦斯 突出 4 1 2 注浆加固防突机理分析 石门揭开突出危险煤层 煤体遭到破坏时 煤体强度及整体 性降低 阻止内部煤与瓦斯突出能力减弱 容易导致大量吸附瓦 斯瞬间解吸成游离瓦斯而突然喷出 从而形成煤与瓦斯突出 注 浆加固是通过向煤层中压入性能适宜的固化剂 使其渗入到煤层 中的裂隙和孔隙 经过注浆 可人为地改善煤岩体的物理力学性 质 5 有效增加煤体强度 减少煤体与岩体的力学性质的差异 增 强煤岩交界面附近围岩的整体性 当石门揭开煤层时可避免煤岩 交界面产生变形突变和围岩应力不连续 通过注浆可充填封闭 煤层内的裂隙和孔隙 减少瓦斯解吸速度和解吸量 降低煤体的 吸附能力 使外部煤体阻滞内部煤体突出的作用得以加强 6 7 相 比其它常规的防突方法 采用注浆加固防突还可大大缩短石门揭 煤时间 2 试验地点试验地点 试验地点选择在淮南某矿 1521 3 下风巷出煤斜巷 出煤斜巷 位于 13 1 主采煤层 13 1 煤层为高瓦斯突出煤层 矿井自投产以 来 13 1 煤层掘进工作面发生了多起煤与瓦斯突出动力现象 斜 巷所处煤层厚度 4 0m 煤层倾角 14 出煤斜巷仰角 15 巷道掘进 宽度 4 2m 高度 3 3m 半圆拱形断面 3 注浆加固防突试验过程注浆加固防突试验过程 1521 3 上风巷出煤斜巷掘进至距 13 1 煤层底板法距 10m 时 实施前探钻孔 3 个 且前探钻孔穿透 13 1 煤全厚进入煤层顶 板不少于 0 5m 钻孔直径为 75mm 取芯并测定钻孔内煤体的瓦 斯放散初速度 煤体的平均坚固性系数等指标 在距 13 1 煤层 底板法线距离 5m 时 采用 75mm 钻头在工作面钻 2 个测压孔 安装压力表测定 13 1 煤的瓦斯压力 测压孔应布置在岩层较完 整的地点 且测压孔与前探钻孔见煤点 间距不少于 5m 封孔完 毕后经过 24h 水泥凝固后 安上压力表 压力表量程为 0 10mpa 进行测压 实测瓦斯压力高达 5 6mpa 3 1 煤体突出危险性预测 煤层突出危险性预测采用 d k 综合指标法进行预测 在打 测压孔的过程中 每米煤孔取一个煤样 测定煤的坚固性系数 f 将 2 个测压孔所得的坚固性系数最小值加以平均作为煤层软分 层的平均坚固性系数 最后将坚固性系数最小的 2 个煤样混合后 测定煤的瓦斯放散初速度指标 p d k 指标的计算方法为 d 0 0075hf 3 p 0 74 k p f 式中 d 煤层突出危险 性综合指标之一 k 煤的突出危险性综合指标之二 h 开采深度 h 620m f 煤层坚固性系数 f 0 21 p 煤层瓦斯压力 mpa p 煤层瓦斯放散初速度指标 取 p 9 经计算可得 d 92 k 42 9 按 煤矿安全规程 规定 突出的临界值为 d 0 25 k 15 可见 2 个预测指标都超限 实验地点具有突出危 险性 13 1 煤为突出危险煤层 3 2 注浆加固施工 由于井田 13 1 煤为突出危险煤层 出煤斜巷揭开 13 1 煤层 时需采取防突措施 本次实验拟采用煤体注浆加固防突技术 巷 道掘进至距 13 1 煤层底板法线 4m 时 施工注浆钻孔 压注波雷因 浆液对有突出危险的煤层进行加固 3 2 1 注浆钻孔设计 沿巷道周边垂距 4m 范围内进行注浆加固 在煤层中实际沿 巷道周边保护带范围沿巷道倾斜方向上下各 8 2m 巷道沿走向 方向在煤层顶板处左右各 5 4m 出煤斜巷掘进至煤层法距 4m 时 在迎头打注浆孔 液扩散半径设计为 1500mm 实际布置钻孔 40 个 钻孔总长度 652 93m 其中煤层段注浆段长度 241 23m 注 浆钻孔布置总体设计如表 1 所示 煤层底板钻孔布置如图 1 所 示 表 1 钻孔总体设计参数表 煤层厚度 m 煤层倾角 最小法距 m 注浆半径 m 钻孔行间 距 m 钻孔列间距 m 41441 500 600 30 3 2 2 注浆材料及设备选择 选择波雷因作为注浆材料 波雷因产品由 a b 两种液体组 份组成 施工时按 1 1 的比例充分混合后 其凝固时间可在几秒至 数分钟内可人为调节 膨胀系数为 2 5 倍 最大抗压强度为 50mpa 注 浆施工时浆液可产生二次渗透压力 并能渗透至煤岩层深部微细 裂隙内 可对煤体或破碎围岩进行有效加固 注浆设备选择 qb 12 型高压气动双液注浆泵 该泵以压缩空气作动力 气控自动换 向 注浆压力可调 最大注浆压力可达 30mpa 3 2 3 注浆量计算 煤层注浆介质可以视为孔隙渗流模型 可按有关渗透理论对 注浆参数进行计算 8 w kn h r2 式中 w 注浆量 103kg r 浆液的扩散半径 根据经验取 r 1 5 10 煤矿安全 total386 技 术经验 m k 浆液消耗系数 一般取 k 1 1 1 2 浆液密度 对 波雷因材料 取 1 18 103kg m3 浆液充填系数 取 0 75 h 注浆孔在煤层中的 深度 平均取 h 5m n 注浆介质煤体的孔隙率 n 1 0 将以上各参数的取 值代入注浆参数计算公式 可得单孔注浆量 w 375kg 共布设 40 个钻孔 则总注浆量为 15000kg 3 3 注浆后突出危险预测 完成注浆后 在打测压孔的过程中 每米煤孔取一个煤样 采 用综合指标进行突出危险性预测 测定煤的坚固性系数 f 将 2 个 测压孔所得的坚固性系数最小值加以平均作为煤层软分层的平 均坚固性系数 最后将坚固性系数最小的 2 个煤样混合后 测定煤 的瓦斯放散初速度指标 预测指标不超限时 才视为无突出危险 并在采取执行超前钻孔探测措施才能进行揭煤 每循环进尺前在 巷道迎头顶部垂直煤层向上打 2 个深度为 3 0m 以上的超前钻孔 使 钻孔超前距离始终不小于 2 0m 以确保安全岩柱的长度 3 4 试验结果 注浆后煤体坚固性系数为 5 5 瓦斯放散初速度为 0 8 煤层钻 孔内实测瓦斯压力为 0 04mpa 经计算得 d 1 54 k 0 15 可见两 预测指标没有超限 可视为无突出危险 可以保证安全揭煤 试验 地点 1521 3 下风巷出煤斜巷只用 20d 时间即通过有突出危险煤 层 相比常规揭煤防突措施约提前 6 个月完工 4 结论结论 1 石门揭开有瓦斯突出危险的煤层时 在煤岩交界面附近两 侧 岩石 煤体的力学性质相差悬殊 这种差异空容易产生变形突 变 应力不连续 如果煤体松软 强度低 不能有效抵抗这个高应 力的冲击和高压瓦斯膨胀作用 就有可能发生煤与瓦斯突出 注 浆加固防突机理主要体现在增加煤体强度和煤岩交界面的整体 性 减少岩石和煤体的差异性 2 在石门揭开有突出危险煤层现场施工工程中 采用波雷因 材料 风动注浆泵及相应注浆新工艺有效地防止了煤与瓦斯突 出 整个防突工程只用 15 天即完成 相比常规揭煤防突措施约提 前 6 个月完工 技术经济