大采高孤島工作面頂板裂隙破碎帶超前深孔復(fù)合預(yù)注漿控制技術(shù)研究

陳金宇

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

0 引 言

近年來，一次采全高技術(shù)逐步在國內(nèi)各礦區(qū)廣泛應(yīng)用，該技術(shù)具有產(chǎn)量高、煤炭資源回收率高、管理簡單等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效緩解礦井采掘接替緊張的局面，實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效，但隨著開采高度的增加，工作面煤壁片幫及架前頂板冒落現(xiàn)象成為制約安全生產(chǎn)的主要問題。同時(shí)，隨著礦井采深越來越大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變，在工作面前方經(jīng)常出現(xiàn)斷層、陷落柱、頂板裂隙帶等復(fù)雜條件，導(dǎo)致工作面推進(jìn)十分困難。目前為減少并控制工作面煤壁片幫、頂板溜矸、滾矸問題，主要采取工作面注漿的辦法。工作面注水泥基類無基材料凝結(jié)時(shí)間長、黏結(jié)性差；注聚氨酯類等有機(jī)材料，成本高、洗選困難影響煤質(zhì)。同時(shí)采煤工作面內(nèi)施工占用采煤時(shí)間，同時(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)等問題。因此，急需要尋找一種經(jīng)濟(jì)、高效的方法，來有效控制工作面煤壁片幫、滾矸問題[1-4]。

1 生產(chǎn)及地質(zhì)條件調(diào)查分析

寺家莊煤礦15106工作面采用大采高一次采全厚采煤法進(jìn)行回采，回采過程中煤壁片幫嚴(yán)重，加上煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，松散破碎，片幫又引起架前頂板溜矸、滾矸，輕者影響煤質(zhì)，重者造成支架不接頂，形成安全隱患。為此寺家莊煤礦在大采高工作面內(nèi)注馬麗散，但是效果不理想，同時(shí)存在成本高、影響煤質(zhì)、占用回采時(shí)間及安全風(fēng)險(xiǎn)等問題。

寺家莊煤礦15106工作面井下標(biāo)高+500～+580 m，地面標(biāo)高+1 052～917 m。煤層厚度(最大～最小/平均)6.89～3.92 m/5.5 m，煤層傾角(最大～最小/平均)12°～1°/6.5°，煤層硬度(f) 1.5。15106工作面回風(fēng)巷為中央盤區(qū)15106工作面回采巷道，15106工作面回風(fēng)巷毛斷面4.8 m×3.9 m，沿頂板掘進(jìn)，15#煤的頂?shù)装逡阅鄮r為主。15106工作面采用“一進(jìn)一回加高低位抽采巷”布置，進(jìn)風(fēng)順槽西鄰15104工作面(已采完)為動壓巷道，15106回風(fēng)順槽東鄰15108工作面也已經(jīng)采完，煤柱寬度為7.0 m，即15106為孤島工作面，15106工作面巷道布置及頂板裂隙帶位置如圖1所示。

圖1 15106工作面巷道布置及頂板裂隙帶位置關(guān)系圖Fig.1 15106 working face roadway layout and roof fracture zone location diagram

由于15#煤頂板屬于復(fù)合頂板，夾石厚度變化較大，且垂直節(jié)理發(fā)育，采煤機(jī)在割煤過程中，頂板的夾石隨采隨冒，目前22#～40#支架之間，支架前方的頂板漏矸滾幫非常嚴(yán)重，且漏下的矸石基本都是大矸，經(jīng)常因流矸壓溜影響工作面正常推進(jìn)。目前工作面采取8.0 m深的鉆孔注馬麗散加固頂板及煤體的措施，效果不理想。15106工作面及頂板控制困難的原因有五方面:①15106工作面含有大量的陷落柱和頂板破碎帶;②15#煤頂板為復(fù)合頂板，直接頂為泥巖，強(qiáng)度低，完整性差，縱向裂隙發(fā)育;③15106工作面為孤島工作面，與15104和15108工作面之間的煤柱為7.0 m小煤柱，孤島工作面頂板壓力較大，造成頂板破碎;④15#煤層平均厚度5.5 m，采用大采高一次采全厚采煤法進(jìn)行回采;⑤工作面開采前進(jìn)行瓦斯抽采，瓦斯壓力釋放及抽采孔的布置導(dǎo)致煤體破碎。

2 頂板裂隙帶超前注漿加固方案

2.1 超前深孔預(yù)注漿加固思路及范圍

目前寺家莊礦15106大采高孤島工作面頂板裂隙破碎帶采用工作面化學(xué)材料馬麗散的淺孔低壓注漿，注漿壓力小，范圍有限，破碎煤巖體無法形成有效的整體結(jié)構(gòu)。故初步確定采用在15106回風(fēng)順槽高壓深孔預(yù)注漿。為保證漿液有效擴(kuò)散、黏結(jié)，以及工程成本控制，確定煤體上部高壓預(yù)注改性水泥漿，提高破碎帶頂板的穩(wěn)定性；下部高壓預(yù)注馬麗散，提高煤壁上部及煤巖交界的穩(wěn)定性。

通過對從15106工作面頂板裂隙帶的探測，確定加固范圍長軸為116.0 m、短軸為73.0 m，在長軸方向兩端超長加固4.0 m，總計(jì)加固長度范圍124.0 m。沿工作面推進(jìn)方向從右向左分兩區(qū)域加固。第一區(qū)域加固范圍長48.0 m，深43.0 m，全長一次封孔注漿；第二區(qū)域加固范圍長68.0 m，深73.0 m，采用后退式分段注漿工藝，里段注漿長度30.0 m，外段43.0 m，加固范圍見圖1。

2.2 15106工作面頂板裂隙帶超前加固方案

2.2.1 數(shù)值模擬分析

采用UDEC建立深孔注漿模型，分析不同注漿壓力和水灰比時(shí)，漿液的擴(kuò)散范圍，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析后退式分段注漿參數(shù)。由于頂板裂隙帶最深為73.0 m，所以建立回風(fēng)順槽側(cè)長100.0 m，高90.0 m的模型。

在數(shù)值模擬軟件中，通過命令SET flow steady來啟動穩(wěn)定狀態(tài)分析模型。這種計(jì)算法則是通過縮放流體的體積模量和區(qū)域的體積來實(shí)現(xiàn)的，而這些對于穩(wěn)定狀態(tài)分析來說是不重要的。當(dāng)用這種模型時(shí)，流體的流動時(shí)間可以隨意地設(shè)定等于機(jī)械的時(shí)間，而且流體的體積模量由系統(tǒng)自動設(shè)定。流動時(shí)間的縮放沒有物理意義，壓力和流體速度記錄在穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到之前也已經(jīng)穩(wěn)定。表1和表2為注漿漿液及裂隙的物理力學(xué)性質(zhì)[5-10]。

表1 不同水灰比注漿漿液的性質(zhì)Table 1 Properties of grouting slurry with differentwater cement ratios

表2 裂隙的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechianical parameters of fissures

首先，建立模型，計(jì)算至平衡，在模型中開挖回風(fēng)順槽，然后進(jìn)行模型平衡計(jì)算；其次，進(jìn)行周邊工作面開采及本工作面開采模擬，計(jì)算到平衡；再次，根據(jù)不同注漿壓力及水灰比建立18種模擬方案，見表3，經(jīng)過多方案比較確定深孔全長一次注漿參數(shù)；最后，確定深孔后退式分段注漿參數(shù)。

表3 不同的注漿方案Table 3 Different grouting schemes

1) 深孔全長一次注漿模擬結(jié)果分析。圖2和圖3為不同水灰比的水泥漿在不同注漿壓力下的擴(kuò)散情況。圖中深色線條為漿液，線條的粗細(xì)代表漿液擴(kuò)散量。模擬顯示標(biāo)準(zhǔn)選取0.3 mm水泥厚度。最優(yōu)擴(kuò)散狀態(tài)時(shí)候的水灰比和注漿壓力，作為施工時(shí)的注漿參數(shù)。

從不同注漿壓力、水灰比的漿液擴(kuò)散情況來看，在裂隙參數(shù)一定時(shí)，剛開始漿液濃度是影響漿液擴(kuò)散范圍的首要因素。漿液首先流向煤巖體開度較大的裂隙，隨著漿液在裂隙的沉淀積累，裂隙變得越來越小，直至漿液不能自由滲透進(jìn)去。此時(shí)漿液在注漿壓力的作用下擠進(jìn)較小的裂隙中，漿液在高壓作用下其擴(kuò)散范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)將裂隙充填的更加密實(shí)，這時(shí)注漿壓力成為影響漿液擴(kuò)散范圍及效果最重要的因素。當(dāng)注漿壓力超過煤巖體的抗剪切強(qiáng)度時(shí)，漿液將原本完整的煤巖體擠裂，尤其是低濃度、黏滯系數(shù)較小的漿液，高壓直接作用于注漿孔壁將出現(xiàn)嚴(yán)重的劈裂注漿。通過模擬的結(jié)果分析，最終確定43.0 m深的注漿孔全長一次注漿參數(shù)：水灰比0.7∶1，注漿壓力15.0 MPa左右。

圖2 水灰比0.6∶1、注漿壓力10 MPa水泥漿擴(kuò)散情況Fig.2 Cement slurry diffusion of the water cementratio 0.6∶1 and the grouting pressure 10 MPa

圖3 水灰比0.7∶1、注漿壓力15 MPa水泥漿擴(kuò)散情況Fig.3 Cement slurry diffusion of the water cementratio 0.7∶1 and the grouting pressure 15 MPa

2) 深孔后退式分段注漿效果模擬。深孔注漿時(shí)，水泥漿液在流動過程中容易離析、沉淀，將內(nèi)段通道堵死。同時(shí)在較長的流通路線中，存在大量的導(dǎo)通裂隙，造成漿液擴(kuò)散嚴(yán)重不均，所以，73.0 m長的注漿孔，采用后退式分段注漿，即注漿孔從里往外分30.0 m/43.0 m兩段兩次注漿。根據(jù)已經(jīng)確定的水泥漿水灰比0.7∶1進(jìn)行模擬，通過漿液擴(kuò)散的效果來確定注漿壓力，指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際施工。分段注漿時(shí)不同注漿壓力漿液擴(kuò)散情況見圖4。

圖4 分段注漿不同注漿壓力漿液擴(kuò)散情況Fig.4 Grouting diffusion at different grouting pressurein segmental grouting

根據(jù)模擬結(jié)果可知，里段30.0 m長度的注漿壓力為15.0 MPa時(shí)漿液擴(kuò)散效果最好。雖然里段注漿孔長度較短，但是漿液輸送距離較長，損耗較多的注漿壓力。外段43.0 m長度的注漿壓力在上述全長一次注漿中已經(jīng)確定為15.0 MPa。后退式分段注漿優(yōu)點(diǎn)是減少了注漿壓力在長距離輸送漿液中的損耗，使?jié){液在短距離更容易擴(kuò)散、更安全，注漿效果更好。

2.2.2 注漿方案

15106回風(fēng)巷沿頂板掘進(jìn)，以頂板為基準(zhǔn)布置水泥注漿孔，鉆孔間距2 000 mm，距離頂板1 200 mm，深度為43.0 m和73.0 m。采用ZLJ500鉆機(jī)打孔，鉆頭直徑Φ56 mm，鉆孔水平轉(zhuǎn)角0°、俯角3°。43.0 m的注漿孔采用全長一次高壓注漿，水灰比0.7∶1，注漿壓力15.0 MPa，封孔位于3 m的位置。73.0 m的注漿孔采用后退式分兩次注漿，里段注漿孔長度30.0 m，水灰比0.7∶1，注漿壓力15 MPa；外段注漿孔43.0 m，水灰比0.7∶1，注漿壓力15.0 MPa，封孔位分別位于43.0 m和3.0 m處。封孔全部使用自脹式封孔器封孔，單根封孔器長度500 mm，直徑Φ45 mm。水泥注漿使用425#普通硅酸鹽水泥；使用水玻璃提高水泥漿液的黏結(jié)速度；添加改性液，提高漿液固化后對破碎煤巖的黏結(jié)力。水泥黏結(jié)改性液用量為水泥重量的10%～20%。

化學(xué)注漿孔位于水泥注漿孔下部，與上部水泥注漿孔呈三花布置，孔口間距2 000 mm，距回風(fēng)順槽底板1 400 m?；瘜W(xué)注漿孔鉆孔參數(shù)、封孔、注漿方式與水泥注漿孔相同。根據(jù)馬麗散的密度、黏度模擬確定注漿壓力10.0 MPa時(shí)擴(kuò)散效果最好，具體的注漿孔布置方案見圖5。

圖5 15106回風(fēng)巷注漿鉆孔布置Fig.5 Layout of grouting bore holes in 15106 roadway

3 現(xiàn)場實(shí)施效果

現(xiàn)場共計(jì)施工水泥注漿孔62個(gè)，其中43.0 m深的注漿孔26個(gè)，73.0 m深的注漿孔36個(gè)，共計(jì)注水泥350 t?；瘜W(xué)注漿孔62個(gè)，共計(jì)注馬麗散134 t。頂板裂隙帶經(jīng)過超前深孔復(fù)合注漿加固后，工作面推進(jìn)到加固區(qū)域，基本不出現(xiàn)支架前端冒矸、滾矸現(xiàn)象，支架接觸頂板良好，原22#～40#支架支撐壓力基本為5.0 MPa，加固后支架支撐壓力在25.0 MPa左右，支架受力穩(wěn)定，如圖6所示。工作面推進(jìn)到復(fù)合注漿區(qū)域，原裂隙帶煤巖體約0.3 mm以上的裂隙內(nèi)，均可見清晰的水泥脈狀充入固結(jié)體。水泥層與煤體內(nèi)部裂隙面間及煤體細(xì)微裂隙內(nèi)，可見化學(xué)漿固結(jié)體。圍巖裂隙內(nèi)的注漿充填體，對破碎圍巖進(jìn)行了較好黏結(jié)。

圖6 注漿加固前后支架受力對比曲線圖Fig.6 Comparing curves of support stress before and aftergrouting reinforcement

4 結(jié) 論

1) 采用超前深孔復(fù)合預(yù)注漿加固頂板裂隙破碎帶及煤體上部，有效解決了大采高孤島工作面支架前方滾矸、冒矸的問題。復(fù)合注漿后，工作面頂板裂隙帶區(qū)域支架壓力由5.0 MPa提高到25.0 MPa左右，受力穩(wěn)定，不再出現(xiàn)滾矸、冒矸現(xiàn)象，煤壁上部煤體結(jié)構(gòu)完整，工作面能夠安全高效地推進(jìn)。

2) 采用UDEC數(shù)值模擬軟件，進(jìn)行18種注漿參數(shù)組合的比較，最終確定73.0 m深孔后退式分段注漿水灰比0.7∶1、注漿壓力15 MPa時(shí)水泥漿液擴(kuò)散最好；馬麗散注漿壓力10.0 MPa時(shí)擴(kuò)散效果最好。經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用檢驗(yàn)，取得良好的應(yīng)用效果。

3) 后退式分段注漿是解決深孔全長一次注漿中漿液擴(kuò)散范圍小、注漿壓力大、損失大等缺點(diǎn)。工作面順槽超前深孔后退式分段注漿工藝是解決工作面前方地質(zhì)構(gòu)造、煤巖體破碎、煤壁片幫、壓架等問題的有效途徑。