地面L型定向分支孔注漿加固煤層頂板厚風(fēng)氧化帶技術(shù)研究

黎明鏡，張敦喜，李萬(wàn)峰，李世輝

(1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001；2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001)

隨著我國(guó)華東、華北等許多礦區(qū)開展提高煤層開采上限試驗(yàn)，薄基巖、厚風(fēng)氧化帶條件下采區(qū)日益增多，如淮南潘謝礦區(qū)近5年來(lái)陸續(xù)開采了60多個(gè)薄基巖工作面，其中潘一礦1402(3)、1602(3)工作面及顧北礦1202(3)等多個(gè)綜采工作面在回采過(guò)程中出現(xiàn)不同程度出水“壓架”現(xiàn)象，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[1]。以顧北礦1202(3)綜采工作面為例，典型壓架過(guò)程表現(xiàn)為：綜采初期小規(guī)模頂板來(lái)壓→薄基巖老頂破斷→頂板淋水嚴(yán)重→頂板垮落波及上部整個(gè)厚風(fēng)氧帶，裂縫帶高度達(dá)56m→壓架→工作面回采失敗。綜合原因分析，風(fēng)氧化帶上下部砂巖裂隙強(qiáng)富水性、弱膠結(jié)地層結(jié)構(gòu)特征是工作面壓架的主要地質(zhì)影響因素[2-4]，因此研究薄基巖、厚風(fēng)氧化帶條件下頂板結(jié)構(gòu)改造和有效隔水，對(duì)該類條件煤層開采具有十分重要的工程意義。

1 工程概況

安徽淮南礦區(qū)顧北煤礦1512(3)工作面是典型的厚風(fēng)氧化帶、薄基巖條件，南二采區(qū)1512(3)工作面平面布置如圖1所示，該工作面開采的13-1煤層為非突出煤層，煤層厚度4.3～6.2m，平均厚度為5.4m，煤層發(fā)育穩(wěn)定，密度為1.41×103kg/m3。煤層直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖(局部地段有炭質(zhì)頁(yè)巖偽頂)，厚度為0.69～6.2m，平均厚度3.2m。由西向東直接頂逐漸增厚；老頂為中細(xì)砂巖，厚度2.9～15.05m，平均厚度為6.5m。巷道及工作面切眼共揭露斷層5處，其中對(duì)回采有影響的斷層3條，斷層最大落差7.2m，破壞了煤層及其頂板的完整性。工作面切眼勘探孔地層結(jié)構(gòu)如圖2所示，由圖2可以看出，沖積層與風(fēng)化基巖交界面埋深為433～421.15m，風(fēng)氧化帶厚度約為25.8～28.85m(其中強(qiáng)風(fēng)化帶度厚度17.26m、弱風(fēng)化帶度厚度11.59m)；工作面切眼上口頂板距風(fēng)氧化帶約24m；切眼下口頂板距風(fēng)氧化帶約15m。

圖1 南二采區(qū)1512(3)工作面平面布置

圖2 工作面切眼勘探孔地層柱狀圖

工作面頂板砂巖抽水試驗(yàn)表明13-1煤層頂板砂巖富水性強(qiáng)，且分布不均，開采最大涌水量預(yù)計(jì)達(dá)65m3/h。煤系砂巖裂隙含水層與上覆新生界中下部含水層在靜態(tài)條件下是相對(duì)獨(dú)立的儲(chǔ)水單元，但在采動(dòng)影響下，下部隔水層可能會(huì)形成新的導(dǎo)水通道，從而影響開采安全。水體采動(dòng)等級(jí)為Ⅱ類，即不允許垮落帶波及上部含水層。

2 薄基巖厚風(fēng)氧化帶下工作面頂板注漿加固設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)氧化地層加固可注性分析

針對(duì)1512(3)切眼頂板進(jìn)行鉆孔取巖芯，風(fēng)氧化帶呈強(qiáng)風(fēng)化、疏松易碎且破碎后呈顆粒狀態(tài)，其中強(qiáng)風(fēng)化帶呈黃色碎屑顆粒，弱風(fēng)化帶主要呈暗黃色碎粒狀，偶見泥鐵質(zhì)膠結(jié)；局部能夠取出長(zhǎng)度為30mm左右的風(fēng)化砂巖巖芯，反映出頂板風(fēng)氧化巖層節(jié)理發(fā)育，風(fēng)氧化帶取芯巖塊形貌如圖3所示。在風(fēng)氧化帶與砂巖交界層位取出部分風(fēng)化砂巖，試驗(yàn)得出最大抗壓強(qiáng)度為5.86MPa。頂板砂巖段取芯時(shí)，在DF42斷層處砂巖裂隙水涌水量達(dá)19m3/h。綜合分析可知，風(fēng)氧化帶地層可注性較好。

圖3 風(fēng)氧化帶取芯巖塊形貌

2.2 注漿加固頂板機(jī)理

薄基巖厚風(fēng)氧化帶下，低位承載層斷裂后牽動(dòng)其上數(shù)個(gè)巖層的同步破斷，對(duì)采場(chǎng)頂板造成強(qiáng)烈擾動(dòng)，使巖層內(nèi)部原生裂隙擴(kuò)展，傳遞承載能力弱化，傾斜塊體范圍向著煤體的深部和上部擴(kuò)展，其中風(fēng)氧化帶的整體穩(wěn)定性是影響周期來(lái)壓大小的關(guān)鍵之一[5-8]。以往被動(dòng)采用高工作阻力的強(qiáng)力液壓支架，難以有效控制厚度超過(guò)50m的頂板整體破斷導(dǎo)致的礦壓顯現(xiàn)劇烈，易造成壓架事故。從主動(dòng)改善工作面上覆圍巖結(jié)構(gòu)方面考慮，則增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力，注漿封閉砂巖裂隙水，提高風(fēng)氧化帶地層整體穩(wěn)定性，是一重要的技術(shù)途徑；要達(dá)到上述注漿效果，則注漿要求范圍大、壓力高。因此，注漿方式宜采用地面預(yù)注漿進(jìn)行。

3 風(fēng)氧化帶地面預(yù)注漿加固頂板技術(shù)

3.1 風(fēng)氧化帶地面預(yù)注漿設(shè)計(jì)

根據(jù)工作面地層結(jié)構(gòu)特征，沿著回采走向風(fēng)氧化帶厚度減小、頂板砂巖厚度增大，設(shè)計(jì)對(duì)埋深434.43～447.55m的風(fēng)化泥巖地層進(jìn)行預(yù)注漿。注漿范圍以切眼為起始點(diǎn)走向長(zhǎng)60m，傾向?qū)?00m。注漿涉及范圍如圖4所示，以1512(3)工作面回風(fēng)巷上方(深度為440m，與風(fēng)化基巖頂界面距離為18m)為注漿起點(diǎn)，以1512(3)工作面運(yùn)輸巷上方(深度為445m，與風(fēng)化基巖頂界面距離為15m)為注漿終點(diǎn)。

圖4 注漿設(shè)計(jì)范圍示意圖

3.2 風(fēng)氧化帶地面預(yù)注漿關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)注漿設(shè)計(jì)要求，結(jié)合我國(guó)定向鉆孔注漿技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[9-11]，采用四個(gè)L型鉆孔和兩個(gè)水平分支孔進(jìn)行注漿，當(dāng)鉆孔到達(dá)預(yù)定孔深之后，沿水平方向進(jìn)行鉆孔，其豎向剖面呈L型，水平向鉆孔呈羽翼狀分布，L型定向分支孔鉆孔軌跡如圖5所示，其中1#、2#孔的鉆孔軌跡為：直孔段(230m)+造斜段(330m)+水平段(120m)；3#、4#孔的鉆孔軌跡為：直孔段(160m)+造斜段(430m)+水平段(100m)；1#孔水平分支段100m，2#孔水平分支段100m；鉆孔總進(jìn)尺：680m+680m+690m+690m+100m+100m=2940m。

圖5 L型定向分支孔鉆孔軌跡

鉆孔孔深0～590m段鉆孔為Φ251mm，鉆頭為四翼合金鉆頭，在0～160m段下放Φ193.68mm、厚9.52mm的石油套管；160～590m段下放Φ193.68mm、厚10.92mm石油套管并固井。590～690m段鉆孔為Φ152mm，鉆頭為牙輪鉆頭，進(jìn)行裸孔注漿。注漿材料采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，配制單液普通水泥漿液，水灰比0.6∶1～0.75∶1。

為了保證注漿能對(duì)裂隙有較好的充填和擠密效果，將風(fēng)氧化帶巖層視為由等效骨架和有效裂隙組成的等效體。引入有效裂隙率、等效滲透系數(shù)，參考非飽和多孔介質(zhì)滲流問(wèn)題，采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)標(biāo)定的漿液壓力Pg—飽和度曲線，建立了基于流固耦合理論的擬連續(xù)裂隙介質(zhì)滲透注漿模型，按單孔計(jì)算了風(fēng)氧化帶漿液擴(kuò)散半徑與注漿壓力的關(guān)系如圖6(a)所示，測(cè)定風(fēng)氧化地層滲透系數(shù)為0.0111m/d，孔隙率假定為8%情況下，在注漿48h后，漿液滲透半徑r與注漿壓力Pg之間的關(guān)系如圖6(b)所示。

圖6 漿液擴(kuò)散半徑與注漿壓力的關(guān)系

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)采用前進(jìn)式注漿，每30m注漿一次，注漿后繼續(xù)推進(jìn)。注漿壓力不小于10MPa，水平鉆孔注漿加固段的注漿終壓不小于20MPa，注漿結(jié)束以漿液流量小于100L/min，且穩(wěn)定時(shí)間不小于20min。

3.3 風(fēng)氧化帶地面預(yù)注漿實(shí)施效果

1)風(fēng)氧化帶地面預(yù)注漿實(shí)際總注漿量為30252m3，使用水泥23203t。按實(shí)際注漿量計(jì)算，水泥漿凝結(jié)后凈體積為14501m3，假定漿液均勻分布在200m×60m設(shè)計(jì)注漿范圍內(nèi)，則相當(dāng)于人工在風(fēng)氧化帶擠入了一層厚1.2m的水泥固結(jié)層。

2)對(duì)工作面上覆巖體進(jìn)行取芯，共17個(gè)取芯鉆孔，其中8個(gè)位于風(fēng)氧化帶注漿加固范圍之外，9個(gè)位于風(fēng)氧化帶注漿加固范圍之內(nèi)，各頂板孔取芯長(zhǎng)度為25～31m，取芯情況表明：注漿加固后風(fēng)氧化帶泥巖巖芯呈塊狀、破碎結(jié)構(gòu)膠結(jié)明顯。風(fēng)氧化帶未注漿前，9個(gè)孔總計(jì)約130m的風(fēng)氧化帶內(nèi)取出長(zhǎng)16.5～24.5mm的巖芯合計(jì)只有104mm，巖芯占總鉆進(jìn)長(zhǎng)度的比例為0.35%。注漿后長(zhǎng)度大于30mm的膠結(jié)巖體占總鉆進(jìn)長(zhǎng)度的比例約為3%～5%，完整性明顯增大。高壓注漿對(duì)風(fēng)化巖體的微觀缺陷進(jìn)行一定的擠密和補(bǔ)缺作用。

3)工作面回采情況。1512(3)采用傾向長(zhǎng)壁區(qū)內(nèi)后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤法回采，最大采高不超過(guò)4.8m，根據(jù)巖重法和數(shù)值計(jì)算綜合分析，選用了四柱支撐掩護(hù)式液壓支架Z13000/24/50，支架工作阻力監(jiān)測(cè)結(jié)果反映出：工作面各部位老頂初次來(lái)壓步距范圍為27.7～36.5m，平均31.5m；各部位老頂周期來(lái)壓步距9.9～18.3m，平均13.20m，初次來(lái)壓步距及周期來(lái)壓步距均大于礦區(qū)其他類似條件下未注漿工作面。老頂初次來(lái)壓時(shí)，支架工作阻力9206～13016.3kN，開采7d后，直接頂全部垮落并壓實(shí)采空區(qū)，工作面液壓支架安全閥開啟率較高。在地面預(yù)注漿改變圍巖頂板結(jié)構(gòu)等綜合措施下，整個(gè)初放期間，工作面無(wú)淋水現(xiàn)象，未出現(xiàn)較為嚴(yán)重的漏頂片幫現(xiàn)象，能夠滿足初次來(lái)壓和周期來(lái)壓時(shí)采場(chǎng)的頂板控制要求。

4 結(jié) 論

1)主動(dòng)改善煤層頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有效封堵頂板巖層導(dǎo)水通道，配套高工作阻力液壓支架，是薄基巖、厚風(fēng)氧化帶條件下安全開采的關(guān)鍵技術(shù)方向。

2)采用地面預(yù)注漿加固方法，可對(duì)厚風(fēng)氧化帶實(shí)現(xiàn)10MPa以上的高壓注漿，能夠改善頂板結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)定性，減小工作面的礦壓顯現(xiàn)。

3)工程實(shí)踐表明，L型水平羽翼狀分支孔結(jié)構(gòu)，對(duì)注漿加固大范圍層狀結(jié)構(gòu)有較好的應(yīng)用效果。