大采高工作面穿越斷層破碎區(qū)預(yù)注漿耦合加固實(shí)踐*

呂兆海，來興平，來紅祥，丁自偉，劉 彪

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054;2.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川750004;3.教育部西部礦井開采與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054)

0 引 言

復(fù)雜特厚煤層大采高條件下開采擾動(dòng)區(qū)(Mining Disturbanced Zone，MDZ)巖移規(guī)律復(fù)雜，是工作面穿越斷層破碎帶期間(Fault Cracked Zone，F(xiàn)CZ)的動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)與災(zāi)害控制是個(gè)難題［1-3］。楊忠民等采用綜合方法，揭示了特厚煤層大采高開采工作面覆巖載荷局部化非對(duì)稱擴(kuò)展演化機(jī)制［4］。劉泉聲等通過對(duì)穿越FCZ 監(jiān)控量測(cè)，掌握圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力信息，驗(yàn)證施工方案合理性［5］。魏世義等采用數(shù)值計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)分析了高承壓水作用下巷道穿越斷層的變形破壞特征［6］。杜志龍等成功運(yùn)用化學(xué)注漿加固巷道斷層破碎帶［7］。韓繼歡等［8］針對(duì)寶龍山金田煤礦地質(zhì)復(fù)雜、裂隙較大、巷道圍巖軟弱、涌水量大且涌水點(diǎn)不明確等特點(diǎn)，提出了采用雙液水泥-水玻璃漿液對(duì)涌水區(qū)域進(jìn)行工作面預(yù)注漿。秦續(xù)峰等［9］針對(duì)新河礦業(yè)公司下山巷道掘進(jìn)遇到含水?dāng)鄬悠扑閹У那闆r，選用高效改性聚亞胺樹脂注漿材料波雷音對(duì)該含水?dāng)鄬悠扑閹нM(jìn)行注漿加固，安全成功的掘進(jìn)通過該含水?dāng)鄬悠扑閹В瑸轭愃茥l件礦井提供借鑒。袁輝等［10］為提高深井巷道圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)體系的安全性，提出采用定向鉆進(jìn)L 型鉆孔地面預(yù)注漿加固技術(shù)，應(yīng)用此技術(shù)對(duì)信湖煤礦井底車場(chǎng)的中央泵房、變電所進(jìn)行了注漿加固，大幅提高單孔注漿范圍和注漿效果，單孔造斜段注漿量可達(dá)145 m3，水平加固段注漿量可達(dá)955.5 m3，確保了深井巷道圍巖的穩(wěn)定性。韓玉明等［11］為解決綜采工作面終采線附近回風(fēng)巷圍巖受強(qiáng)采動(dòng)影響難以控制的難題采用，超前工作面巷道預(yù)注漿加固技術(shù)，進(jìn)一步提高錨桿(索)預(yù)緊力的擴(kuò)散效果，顯著減小破碎圍巖的變形移動(dòng)。蔣康等［12］前在總結(jié)劉莊煤礦穿斷層破碎帶軟巖巷道圍巖破壞特征的基礎(chǔ)上，提出了巷道圍巖分步耦合支護(hù)技術(shù)方案，有效解決了劉莊煤礦深井軟巖巷道穿斷層破碎帶施工圍巖穩(wěn)定控制難題。徐升等針對(duì)淮南顧橋煤礦南翼膠帶輸送機(jī)大巷(二)穿過斷層地質(zhì)異常區(qū)的問題，通過超前注漿加固、壁后注漿和底板注漿等措施，提高圍巖承載能力，有效地控制了圍巖變形，保證了巷道施工安全。

通過對(duì)上述文獻(xiàn)的分析可見，目前煤礦中加固頂板一般采用架棚挑棚、打樹脂錨桿和注水泥漿等;控制冒頂措施包括提高支柱初撐力、縮小梁端距、減少空頂面積和及時(shí)支護(hù)等。寧夏寧東鴛鴦湖礦區(qū)清水營煤礦110203 大采高(4.2 m)綜采工作面主采2#煤層，頂?shù)装鍘r性和厚度變化大，煤巖松散破碎，穩(wěn)定性差，大采高工作面在穿越斷層過程中多次出現(xiàn)大面積漏矸漏砂和冒頂片幫現(xiàn)象，嚴(yán)重制約安全高效開采。針對(duì)清水營煤礦大采高工作面安全穿越斷層破碎帶難題，采用工程調(diào)查、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等，提出了預(yù)注漿耦合加固(Pre-Grouting Coupling Reinforcement，PCCR)方法?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，采用預(yù)注漿耦合加固方法，有效控制了工作面頂板和上下超前巷道穩(wěn)定，保證了安全開采。

1 注漿耦合加固破碎煤巖體機(jī)理分析

注漿耦合加固方法具有快速充填圍巖裂隙、固結(jié)松散體和提高了圍巖整體承載能力等綜合效應(yīng)。斷層和頂板破碎區(qū)煤巖體雖具一定強(qiáng)度，但抵御工作面圍巖深層變形能力顯著降低。通過注漿耦合加固，對(duì)于破碎煤巖體可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能改變，更重要的是力學(xué)性能的提升，即提高裂隙的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，增大煤巖體內(nèi)部塊間相對(duì)位移與阻力，提高圍巖整體承載力。

1.1 充填密實(shí)與骨架重構(gòu)

破碎煤巖體內(nèi)部預(yù)存大量裂隙是應(yīng)力與變形難以控制的稟賦性特征，注漿不但可以將相互連通的巖體裂隙充滿，還可將充填不到的封閉裂隙和孔隙壓縮，提高了圍巖彈性模量和剪切模量，進(jìn)而提高圍巖力學(xué)強(qiáng)度。同時(shí)，破碎煤巖體內(nèi)部裂隙相互貫通，加壓漿液滲透到破碎煤巖體內(nèi)部，耦合快速凝固之后形成“骨架”結(jié)構(gòu)，支撐能力顯著提高。

1.2 耦合粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)

耦合粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)是注漿之后對(duì)破碎煤巖最重要的加固作用。從力學(xué)角度出發(fā)，注漿改變了破碎煤巖的基本力學(xué)性質(zhì)，提高了巖體強(qiáng)度。注漿加固補(bǔ)強(qiáng)作用可采用莫爾強(qiáng)度理論(式(1))進(jìn)行分析。

式中 τ 為抗剪強(qiáng)度;σ 為內(nèi)部正應(yīng)力;C 為內(nèi)聚力;φ 為內(nèi)摩擦角。

從式(1)可看出，在應(yīng)力狀態(tài)一定情況下，巖體強(qiáng)度是由C，φ 決定。當(dāng)集中切向應(yīng)力超過巖體的強(qiáng)度極限時(shí)，工作面淺層圍巖首先破壞并產(chǎn)生裂隙，應(yīng)力與內(nèi)摩擦角降低，圍巖在一定范圍內(nèi)形成具有殘余強(qiáng)度的破碎帶，但其抵抗深層變形能力顯著降低，通過注漿可提高裂隙的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，增大巖體內(nèi)部塊間相對(duì)位移的阻力，改善巖體弱面力學(xué)性能，提高圍巖整體穩(wěn)定性。另外，巖體c，φ 值增值大小與注漿材料性能與工藝密切關(guān)聯(lián)，一般來講，注漿材料本身固結(jié)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，注漿工藝合理，能保證巖體裂隙充填密實(shí)，漿液與裂隙面粘結(jié)牢靠，其c，φ 值的增值較大。

1.3 轉(zhuǎn)變破壞演化行為

通過注漿施工能夠改變破碎巖體破壞演化路徑，從損傷及斷裂力學(xué)角度，巖體的破壞是由于內(nèi)部裂紋在外力的作用下，其裂紋尖端發(fā)生應(yīng)力集中，而形成的有效擴(kuò)展進(jìn)而貫穿造成的。注漿后巖石內(nèi)部的裂紋大量的減少。通過膠結(jié)作用，裂紋與巖體形成了有效整體，應(yīng)力集中顯著削弱，最終改變了其破壞方式。未注漿巖體中裂隙處的結(jié)構(gòu)單元處于二向應(yīng)力狀態(tài)，注漿后應(yīng)力狀態(tài)恢復(fù)為三向。在三向應(yīng)力狀態(tài)下巖體演化形成新的平衡狀態(tài)，巖體塑性增強(qiáng)，提高了圍巖體的強(qiáng)度。

2 工程調(diào)查與動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)現(xiàn)象描述

寧東鴛鴦湖礦區(qū)清水營煤礦110203 綜采工作面主采2#煤層，傾斜長(zhǎng)190 m，煤層傾角25° ～30°，均厚5.74 m，采高4.2 m.頂?shù)装鍘r性和厚度變化較大，頂?shù)装鍘r性以砂巖及粉砂巖為主，巖石較松散，強(qiáng)度低、堅(jiān)固性差、易風(fēng)化［14-15］。如圖1 所示斷層影響區(qū)域上口影響長(zhǎng)度51.0 m，下口影響長(zhǎng)度18.0 m，揭露斷層落差為4.90 m，風(fēng)機(jī)兩巷掘進(jìn)時(shí)由斷層下盤2#煤底板穿過斷層面后進(jìn)入上盤2#煤中;兩巷巷道圍巖松散，頂板破碎與下沉變形嚴(yán)重。

圖1 斷層結(jié)構(gòu)與分布情況Fig.1 Structure and distribution of fault

2012 年2 月12 日，上口推進(jìn)至82.0 m，下口推進(jìn)至77.5 m，上口開始揭露F18斷層，工作面推進(jìn)中多次出現(xiàn)大面積漏矸漏砂和冒頂片幫現(xiàn)象(圖2)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)大尺度冒落失穩(wěn)現(xiàn)象Fig.2 Large-scale caving instability phenomenon(a)25 ×3.6 ×3.0 冒頂區(qū) (b)頂梁前段漏頂

3 工作面穿越斷層注漿工藝方法

常規(guī)處理冒頂?shù)姆绞綖榧芘?、穿梁、打木垛法和錨桿、錨索支護(hù)法，這些方法工作量大、施工環(huán)境差。針對(duì)過斷層期間工作面大尺度空間連續(xù)性冒落災(zāi)害，采取了羅克休泡沫對(duì)冒頂區(qū)進(jìn)行充填，馬麗散、博特威加固破碎煤巖體的維護(hù)方案?；瘜W(xué)漿液反應(yīng)迅速、硬化時(shí)間短，能及時(shí)充填和加固冒落區(qū)，膠結(jié)破碎頂板，提高冒落區(qū)圍巖穩(wěn)定性。

3.1 注漿工藝與系統(tǒng)布置

注漿工藝包括鉆孔、封孔、注漿3 個(gè)部分。采用錨桿機(jī)、煤電鉆進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔形成后，采用風(fēng)壓提供動(dòng)力，通過高壓管路供風(fēng)，進(jìn)風(fēng)管路連接至注漿加固地點(diǎn)，由注漿泵對(duì)鉆孔進(jìn)行注漿，注漿完成后進(jìn)行封孔。注漿系統(tǒng)工藝布置如圖3 所示。

圖3 注漿系統(tǒng)設(shè)備布局Fig.3 Grouting system equipment layout

3.2 施工方案

3.2.1 兩巷超前加固防破壞

風(fēng)機(jī)兩巷超前20.0 m 范圍內(nèi)，每隔2.0 m 沿巷中至巷幫(靠工作面?zhèn)?設(shè)計(jì)4 個(gè)注漿孔，巷中1個(gè)、肩窩1 個(gè)、巷幫2 個(gè)，頂板孔仰角45°，幫孔垂直煤壁，設(shè)計(jì)鉆孔孔徑φ32.0 ～φ42.0 mm，鉆孔深度3.2 m.

3.2.2 預(yù)注漿加固防冒頂

先用煤電鉆或液壓鉆機(jī)在相鄰兩臺(tái)支架前梁端部中間打孔，鉆孔與工作面煤壁側(cè)呈45°，然后將博特威、羅克休和馬麗散等過鉆孔注入工作面支架前梁處頂板進(jìn)行加固。工作面過斷層期間，采用1 個(gè)班注漿，2 個(gè)班生產(chǎn)作業(yè)方式，每推進(jìn)2.4 m，完成一個(gè)循環(huán)，直至工作面通過斷層。

3.2.3 冒頂區(qū)快速注漿固結(jié)

將博特威、羅克休、馬麗散等高分子材料注入已經(jīng)破碎或松散的頂板巖石之間，對(duì)頂板空洞進(jìn)行充填的同時(shí)將破碎巖石進(jìn)行膠結(jié)，從而形成再生頂板。

3.2.4 煤壁注漿加固防片幫

用煤電鉆在工作面煤壁破碎段打眼，將博特威、羅克休、馬麗散等高分子材料用注漿機(jī)通過鉆孔注入煤壁，對(duì)工作面煤壁進(jìn)行加固。

3.3 注漿設(shè)備及性能參數(shù)

注漿孔施工采用煤電鉆配φ38.0 mm 接長(zhǎng)螺旋鉆桿、φ42.0 mm 鉆頭，注漿管采用4 寸鋼管制作，長(zhǎng)2.0 ～4.0 m，成孔困難時(shí)則采用注漿鉆桿進(jìn)行注漿，注漿壓力6.0 MPa.準(zhǔn)備好兩桶25 kg 清水和30 kg 機(jī)油備作清洗劑，將泵、注射槍、風(fēng)源、吸料管及出料管接好;將樹脂吸料管、催化劑吸料管分別放入料桶內(nèi)，開動(dòng)注射泵，以一定配比向內(nèi)注射。施工中觀察注漿量及擴(kuò)散范圍，保證加固效果。

3.4 注漿參數(shù)

3.4.1 滲透半徑

滲透半徑是確定加固區(qū)內(nèi)注漿孔間距及數(shù)量的依據(jù)。影響滲透半徑大小的因素很多，主要取決于注漿壓力與時(shí)間、裂隙密度、裂隙開度、裂隙迂曲度、漿液的運(yùn)動(dòng)黏度、漿液的膠凝時(shí)間等。由于煤巖體內(nèi)節(jié)理、裂隙的發(fā)育分布程度不均勻，破裂程度不一致，因此，漿液注入煤巖體后的擴(kuò)散分布范圍很不規(guī)則;對(duì)于碎裂煤巖體，漿液注入后分布范圍較均勻。注漿漿液的擴(kuò)散半徑用式(2)估算。

式中 R 為漿液擴(kuò)散半徑，cm;pc為注漿孔內(nèi)壓力，MPa;p0為受注裂縫內(nèi)地下水壓力，MPa;T 為注漿時(shí)間，s;b 為裂縫寬度，cm;rc為注漿孔半徑，cm;u為漿液黏度，MPa·s.

3.4.2 注漿壓力

由于工作面無淋水，注漿壓力主要取決于克服漿液在煤巖體縫隙中流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力。注漿壓力大時(shí)，漿液在煤巖體裂隙中的擴(kuò)散距離遠(yuǎn)、充填效果好。尤其對(duì)破裂頂板，漿液沿頂板內(nèi)裂隙的流動(dòng)需要克服較大的阻力，加固斷層帶破裂頂板時(shí)注漿壓力一般為4.0 ～6.0 MPa.

3.4.3 注漿量與擴(kuò)散半徑

漿液注入量受注漿壓力、時(shí)間、煤巖體裂隙發(fā)育程度及破碎狀況、滲透性等因素影響，注漿總量應(yīng)保證加固區(qū)域圍巖的良好注固效果。經(jīng)計(jì)算，單孔注漿量預(yù)計(jì)為110.0 kg.通過調(diào)整漿液的膠凝速度、滲透性和注漿終壓，確定有效擴(kuò)散半徑約為3.2 m.

4 注漿材料綜合對(duì)比

羅克休、馬麗散和博特威均含樹脂和催化劑兩種組分，注入煤巖層幾秒鐘后，化學(xué)反應(yīng)生成的聚酯類產(chǎn)物膨脹，對(duì)破碎煤巖體進(jìn)行粘結(jié)加固?，F(xiàn)場(chǎng)每孔注入4 ～6 桶，約160.0 kg 漿液材料。

4.1 羅克休性能

羅克休泡沫由樹脂和強(qiáng)催化劑兩種成分組成，膨脹后體積為原體積的25 ～30 倍，泡沫反應(yīng)迅速，常溫下20 ～30 s 可反應(yīng)完畢，20 min 硬化后抗壓強(qiáng)度0.2 MPa 左右，其產(chǎn)品性能見表1.

表1 羅克休成分Tab.1 Components of Luokexiu

4.2 馬麗散性能

馬麗散由樹脂、催化劑組成的按一定比例配合的聚氨酯產(chǎn)品，兩種合成材料均為液體，反應(yīng)后具有較高的強(qiáng)度和很強(qiáng)的粘合力。產(chǎn)品注射進(jìn)煤巖體以后，低粘度混合物保持液體狀態(tài)幾秒鐘，能滲透進(jìn)入細(xì)小的裂縫膨脹，使松散破碎煤巖體粘結(jié)成一體，其產(chǎn)品性能見表2.

表2 馬麗散成分Tab.2 Components of malisan

4.3 博特威性能

博特威漿液為真溶液，粘度低、滲透性好，可封堵微裂隙淋滲水，漿液注入微裂隙后，反應(yīng)過程中發(fā)泡膨脹，自身產(chǎn)生膨脹壓力形成二次擴(kuò)散，固結(jié)強(qiáng)度高。馬麗散黏度低，能很好地滲入微小的裂隙中;具有極好地黏合能力，可與松散煤巖形成很好黏合;凝固后有良好地柔韌性，能承受隨后采動(dòng)影響;可提高煤巖支撐力，機(jī)械阻力高。就破碎煤巖體粘結(jié)后抗壓強(qiáng)度來講，博特威效果更好。

5 現(xiàn)場(chǎng)注漿加固實(shí)施效果

大采高綜采工作面過斷層帶持續(xù)2 個(gè)月。工作面未揭露斷層前，超前在風(fēng)機(jī)兩巷斷層影響范圍內(nèi)注博特威與馬麗散加固煤層，累計(jì)注射博特威12 T，馬麗散2 T.斷層面揭露范圍內(nèi)圍巖松散，工作面多次出現(xiàn)片幫漏冒，在漏冒頂段注射羅克休發(fā)泡劑、博特威粘結(jié)劑的方式制作人工假頂，架π 型鋼梁絞頂，打設(shè)錨桿，控制頂幫，注射博特威62.25 T，羅克休30 T.如圖4(a)所示，未注漿前，工作面前方煤壁片幫、冒落嚴(yán)重;注漿后如圖4(b)所示，工作面得到了有效控制，頂板圍巖穩(wěn)定，巖體在漿料的作用下已被填充粘結(jié)成為一體，效果顯著(表3)。通過采用上下巷口超前加固、工作面頂板加強(qiáng)控制等，避免了潰水潰沙和設(shè)備被埋等，實(shí)現(xiàn)了安全開采。

圖4 注漿前后效果對(duì)比Fig.4 Comparison of effect before and after grouting

表3 注漿前后數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of data before and after grouting

6 結(jié) 論

針對(duì)清水營煤礦大采高工作面安全穿越斷層破碎帶煤巖動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)致災(zāi)難題，采用綜合研究方法，得出如下結(jié)論。

1)復(fù)雜開采條件下，大采高工作面斷層破碎帶煤巖巖性復(fù)雜、應(yīng)力變異顯著。預(yù)注漿加固是促進(jìn)斷層區(qū)域破碎煤巖體結(jié)構(gòu)快速耦合控穩(wěn)與促進(jìn)安全開采的重要技術(shù)方法。

2)提出了預(yù)注漿耦合加固方法，設(shè)計(jì)了注漿工藝，定量確定了注漿參數(shù)。

3)實(shí)踐表明，預(yù)注漿耦合加固技術(shù)控制了工作面頂板與上下超前巷道穩(wěn)定，保證了安全開采，取得了顯著效果，對(duì)類似條件下工作面或巷道安全快速穿越斷層破碎帶具有借鑒意義。

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