陽煤五礦褶皺構(gòu)造超前預(yù)注漿加固技術(shù)研究

劉許亭

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 趙莊煤業(yè)， 山西 晉城 048000)

陽泉地區(qū)煤層開采受褶皺構(gòu)造影響較大，褶皺核部巖層受水平擠壓作用，產(chǎn)生許多裂隙，直接影響到巖體的完整性和強(qiáng)度，工作面通過時極容易發(fā)生片幫、冒頂事故[1-2]. 常用的處理辦法是，當(dāng)工作面即將揭露構(gòu)造，或者已經(jīng)出現(xiàn)片幫冒頂時，停采采用化學(xué)漿處理[3-4]. 停采影響生產(chǎn)，并導(dǎo)致煤壁及頂板破壞更加嚴(yán)重，且化學(xué)漿成本高，以陽煤五礦為例，每年工作面回采約消耗5 000萬元的化學(xué)漿，增加了該礦的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[5]. 針對陽煤五礦褶皺開展新型無機(jī)注漿材料加固技術(shù)研究，以期能夠降低注漿加固成本，保障工作面安全順利開采。

1 工程背景

陽煤五礦8410工作面井下位于四采區(qū)，處于+420 m水平，煤層埋深438～573 m，可采走向長度1 571 m，傾斜長198.6 m，布置8410進(jìn)風(fēng)巷和8410回風(fēng)巷兩條順槽。采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤方法，采用全部垮落法管理頂板。

8410工作面為孤島工作面，北部為8411工作面采空區(qū)，南部為8409工作面采空區(qū)。因此，8410工作面在回采期間，工作面及兩順槽礦壓顯現(xiàn)十分劇烈，加上褶皺構(gòu)造十分發(fā)育，工作面片幫、冒頂嚴(yán)重，2019年3、4月推進(jìn)進(jìn)尺分別為7 m、9 m，使用化學(xué)漿分別為260 t、280 t，化學(xué)漿消耗超過1 000萬元。8410工作面巷道位置關(guān)系見圖1.

圖1 工作面巷道位置關(guān)系圖

2 治理思路

采用化學(xué)漿對煤壁、頂板進(jìn)行加固存在的根本問題是化學(xué)漿凝固速度快，擴(kuò)散半徑小，只適合淺孔注漿，只能等工作面揭露或緊鄰構(gòu)造時實施，是一種應(yīng)急處理措施，而非預(yù)防性措施，并且化學(xué)漿注漿只能在工作面內(nèi)進(jìn)行，施工必然導(dǎo)致工作面停采，工作面一旦停采，煤壁及頂板在超前支承壓力作用下進(jìn)一步變形破壞，導(dǎo)致破壞范圍更大、程度更高、片幫冒頂更嚴(yán)重、注漿量更大、工作面更難以推進(jìn)，形成惡性循環(huán)。

因此，應(yīng)從提前預(yù)防的角度出發(fā)，在兩順槽內(nèi)對褶皺構(gòu)造超前預(yù)注漿加固，提高構(gòu)造區(qū)煤巖體完整性和強(qiáng)度，提高承載能力，避免工作面停采，減少化學(xué)漿用量。

技術(shù)關(guān)鍵在于注漿材料選擇，目前常用的普通水泥或者化學(xué)漿都存在一定的局限性，普通水泥細(xì)度不足、擴(kuò)散效果差、凝固速度及強(qiáng)度增長緩慢、漏漿難以封堵，而化學(xué)漿擴(kuò)散范圍有限、成本高，均無法滿足超前深孔預(yù)注的需要。計劃采用兩種新型無機(jī)注漿材料，并從鉆孔布置、實施方式、注漿工藝等方面綜合考慮，形成切實可行的褶皺構(gòu)造超前預(yù)注漿加固技術(shù)。

3 新型無機(jī)注漿材料預(yù)注方案

3.1 試驗區(qū)域

在回采進(jìn)度545～585 m，40 m長度范圍，覆存一褶皺構(gòu)造向斜褶曲，工作面傾向上影響長度0～55 m，8410進(jìn)風(fēng)巷正常沿煤層頂板掘進(jìn)，在褶曲區(qū)域為避免巷道起伏過大，破頂掘進(jìn)，留底煤厚度增大，巷道為半煤巖巷或全巖巷。孤島工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，8410進(jìn)風(fēng)巷巷幫煤巖體十分破碎。試驗區(qū)域范圍示意圖見圖2.

圖2 試驗區(qū)域范圍示意圖

3.2 鉆孔設(shè)計方案

在過構(gòu)造40 m區(qū)域，選取4個位置作為關(guān)鍵點，分別為回采進(jìn)度550 m、560 m、570 m、580 m，向工作面煤體內(nèi)進(jìn)行鉆探，根據(jù)鉆探結(jié)果繪制煤層在傾向上的起伏示意圖。在示意圖上確定支架在傾向上的變坡情況，從而確定支架高度范圍，最后根據(jù)支架高度范圍繪制注漿鉆孔。

鉆孔布置原則：根據(jù)現(xiàn)場煤幫頂板情況，煤質(zhì)較硬，頂板泥巖十分破碎，因此以加固頂板為主，鉆孔應(yīng)布置在支架高度范圍上方2 m層位，擴(kuò)散半徑約3 m.

4個關(guān)鍵點位置的傾向剖面及鉆孔布置示意圖見圖3.

圖3 4個關(guān)鍵點傾向剖面及鉆孔布置示意圖

統(tǒng)計4個關(guān)鍵點的開孔高度、鉆孔角度、孔深等參數(shù)，鉆孔最大俯角不超過6°，否則難以施工。由于煤層變化基本連續(xù)，根據(jù)4個關(guān)鍵點的鉆孔參數(shù)，依次設(shè)計其他鉆孔的參數(shù)。為保障漿液擴(kuò)散效果，鉆孔間距2 m，孔徑確定為94 mm. 40 m范圍共設(shè)計21個鉆孔，編號1#～21#，鉆孔布置平面圖見圖4，所有鉆孔參數(shù)見表1.

圖4 鉆孔布置方式平面圖

表1 各個鉆孔參數(shù)表

3.3 新型無機(jī)注漿材料

新型無機(jī)注漿材料包括雙液注漿材料和單液注漿材料。

雙液注漿材料用于封堵表層裂隙、錨桿索孔等漏漿通道，適合于0～20 m孔深，分為A型和B型，使用水灰比0.8∶1，混合0.5～2 min后失去流動性，5～10 min完全固化，2 h強(qiáng)度11 MPa，1 d強(qiáng)度15 MPa以上，適合淺部破碎圍巖注漿封堵和加固。

單液注漿材料用于深孔注漿，適合于20～150 m深孔，為超細(xì)水泥基注漿加固材料，細(xì)度1 000目以上，通過外加劑調(diào)整性能，具備40 min良好的流動性，可以在深孔內(nèi)充分?jǐn)U散，超細(xì)化之后漿液均質(zhì)性良好，流動擴(kuò)散過程中不出現(xiàn)泌水，且能夠進(jìn)入微小裂隙，1 d強(qiáng)度20 MPa以上，3 d強(qiáng)度40 MPa以上。

兩種無機(jī)注漿材料成本均為3 000元左右，不足化學(xué)漿的1/5.

3.4 循環(huán)套孔注漿方式

為使?jié){液充分?jǐn)U散，采用循環(huán)套孔注漿方式，每10 m一個循環(huán)，即：采用d133 mm鉆頭開孔3 m，退鉆，下d108 mm套管，然后改換d94 mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)至10 m，退鉆，利用套管采用雙液注漿材料進(jìn)行第1次注漿；注漿完畢后套孔鉆進(jìn)至20 m，退鉆，利用套管采用雙液注漿材料進(jìn)行第2次注漿；注漿完畢后套孔鉆進(jìn)至30 m，退鉆，利用套管采用單液注漿材料進(jìn)行第3次注漿，之后全部采用單液注漿材料。依次循環(huán)鉆進(jìn)、注漿、套孔，直至鉆進(jìn)至設(shè)計深度，退鉆再進(jìn)行最后一次插管注漿。

3.5 注漿工藝參數(shù)

注漿壓力：孔深小于10 m時，注漿壓力應(yīng)達(dá)到6～8 MPa，孔深大于10 m時，注漿壓力應(yīng)達(dá)到10～15 MPa.

防漏漿技術(shù)：采用循環(huán)套孔注漿方式，前20 m采用雙液注漿材料，基本不存在漏漿問題，之后采用單液注漿材料，由于單液注漿材料流動性好，出現(xiàn)漏漿難以自行封堵，需要換注雙液注漿材料，漏漿解決后，繼續(xù)換注單液注漿材料，依次循環(huán)，直至達(dá)到設(shè)計注漿壓力。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

超前工作面200 m開始實施，工期40天，現(xiàn)場采取打一個注一個的方式，不存在串孔問題，共實施21個鉆孔，鉆進(jìn)和套孔總進(jìn)尺1 685 m，合計使用無機(jī)注漿材料106 t，其中雙液注漿材料46 t，單液注漿材料60 t，材料和施工總費用83萬元。

4.2 效果考察

1) 工作面未發(fā)生冒頂。

工作面通過未注漿褶皺構(gòu)造時，工作面片幫、冒頂頻發(fā)，冒落矸石碎塊堆積在回采空間，迫使工作面多次停采處理；進(jìn)入注漿區(qū)域后，工作面煤壁平直、頂板良好，未發(fā)生冒頂。

2) 工作面推進(jìn)速度。

工作面通過未注漿褶皺構(gòu)造時，工作面平均推進(jìn)速度0.8 m/天，多次停采處理頂板冒落矸石；進(jìn)入注漿區(qū)域后，推進(jìn)速度提高到2.5 m/d，除正常檢修未停采。

3) 化學(xué)漿使用。

進(jìn)風(fēng)巷機(jī)頭區(qū)域為注漿加固區(qū)域，與未注漿的回風(fēng)巷機(jī)尾區(qū)域作對比，機(jī)尾50 m每天注4 t化學(xué)漿，機(jī)頭50 m未使用化學(xué)漿。

4) 經(jīng)濟(jì)效益。

試驗區(qū)域共使用106 t新型無機(jī)注漿材料，換算成漿液約180 m3，除去填充鉆孔體積12 m3，實際充填裂隙約168 m3，換算成等體積化學(xué)漿約84 t，按照15 000元/t計算，則相當(dāng)于替代126萬元的化學(xué)漿，40 m長度共節(jié)約43萬元，平均節(jié)約1.075萬元/m. 陽煤五礦工作面褶皺構(gòu)造十分發(fā)育，基本上需要全工作面注漿，按照每個工作面長度1 500 m計算，則采用無機(jī)注漿材料加固后，每個工作面節(jié)約注漿費用超過1 600萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié) 論

1) 褶皺構(gòu)造治理思路應(yīng)從提前預(yù)防的角度出發(fā)，在兩順槽內(nèi)對褶皺構(gòu)造超前預(yù)注漿加固，提高構(gòu)造區(qū)煤巖體完整性和強(qiáng)度，提高承載能力，避免工作面停采，大幅減少化學(xué)漿用量。

2) 新型無機(jī)注漿材料包括雙液注漿材料和單液注漿材料，雙液注漿材料用于淺部裂隙封堵，單液注漿材料用于深部擴(kuò)散加固，成本不足化學(xué)漿的1/5.

3) 循環(huán)套孔注漿方式為每10 m一個循環(huán)，循環(huán)鉆進(jìn)、退鉆、注漿工序，保障漿液擴(kuò)散效果。

4) 效果考察表明，與未注漿區(qū)域相比，注漿區(qū)域未發(fā)生冒頂，推進(jìn)速度由0.8 m/d提高到2.5 m/d，注漿區(qū)域未使用化學(xué)漿，工作面采用新型無機(jī)注漿材料后，與化學(xué)漿相比，節(jié)約注漿費用1.075萬元/m，經(jīng)濟(jì)效益顯著。