構(gòu)造區(qū)深孔預(yù)注漿技術(shù)及最佳時(shí)機(jī)分析

陳紅旭

（霍州煤電集團(tuán)方山店坪煤礦，山西 呂梁 033100）

煤礦常見的構(gòu)造類型包括斷層、陷落柱、褶皺等，對(duì)工作面回采產(chǎn)生不同程度的影響，嚴(yán)重時(shí)引起片幫冒頂事故，危害極大[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(shí)，停采，采用化學(xué)漿處理。停采將會(huì)導(dǎo)致破壞程度加劇[3-4]?；瘜W(xué)漿成本1.5萬元/t以上，嚴(yán)重降低煤礦經(jīng)濟(jì)效益，且存在反應(yīng)高溫、有毒有腐蝕性等安全問題，因此，化學(xué)漿在部分礦區(qū)已經(jīng)被禁止使用。近5年來，晉煤集團(tuán)開展了大量的工作面構(gòu)造區(qū)超前深孔預(yù)注漿加固試驗(yàn)，計(jì)劃對(duì)超前深孔預(yù)注漿加固技術(shù)進(jìn)行介紹，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)之一的最佳注漿時(shí)機(jī)確定方法進(jìn)行探討。

1 構(gòu)造區(qū)超前深孔預(yù)注漿加固技術(shù)

1.1 基本方式

針對(duì)構(gòu)造異常區(qū)范圍、特點(diǎn)，超前工作面一定距離，在兩順槽內(nèi)相應(yīng)位置向工作面中部施工超前深孔，覆蓋整個(gè)異常區(qū)及其邊緣，采用無機(jī)注漿材料，在合適的注漿時(shí)機(jī)，對(duì)構(gòu)造區(qū)進(jìn)行預(yù)注漿加固，從而填充構(gòu)造裂隙，提高煤體和頂板強(qiáng)度，減少片幫、漏頂，提高工作面推進(jìn)速度，保障安全回采，大幅減少化學(xué)漿用量。如圖1所示。

圖1 兩順槽超前深孔注漿示意圖

1.2 鉆孔布置層位

大量的現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，冒頂并不是單一現(xiàn)象，由煤壁片幫引起的頂板失去支撐發(fā)生冒落非常普遍。研究表明，距離頂板0.135倍采高位置的煤壁最容易先發(fā)生片幫[5]，即煤壁中上部。因此，工作面片幫、冒頂防治的基本思路是“控幫立頂、頂幫兼顧”，不可只加固頂板。鉆孔布置一般布置上下兩排，上排孔加固煤壁上方0～3m范圍的頂板，下排孔加固煤壁中上部。鉆孔落點(diǎn)通過開孔高度、角度實(shí)現(xiàn)。鉆孔間距通過漿液擴(kuò)散半徑試驗(yàn)確定，一般為3～5m。

1.3 深孔注漿材料

深孔注漿材料應(yīng)該滿足以下條件：

（1）流動(dòng)性好。鉆孔深度一般50～120m，漿液流動(dòng)時(shí)間應(yīng)保證在長鉆孔內(nèi)充分?jǐn)U散，且不能發(fā)生水、料分離沉淀現(xiàn)象；

（2）細(xì)度高。構(gòu)造內(nèi)部裂隙大小及貫通性不一，材料顆粒應(yīng)能夠通過微小裂隙，導(dǎo)通其他裂隙；

（3）強(qiáng)度增長快速。綜采工作面推進(jìn)速度快，如寺河礦10m/d，注漿后材料強(qiáng)度必須快速增長，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，滿足工作面快速推進(jìn)需求；

為此，河南力行科創(chuàng)礦山技術(shù)開發(fā)有限公司研發(fā)了一種超細(xì)水泥單液注漿材料，細(xì)度1000目以上，是普通硅酸鹽水泥的5～6倍，使用水灰比0.6:1，加水?dāng)嚢韬螅?0min內(nèi)流動(dòng)度不小于220mm，流動(dòng)性良好，滿足深孔充分?jǐn)U散要求，之后逐漸膠凝，1d強(qiáng)度22MPa，3d強(qiáng)度40MPa。

2 最佳注漿時(shí)機(jī)確定方法

最佳注漿時(shí)機(jī)的含義是，在某個(gè)時(shí)間或者位置進(jìn)行注漿，能夠起到最好的控制效果。最佳注漿時(shí)機(jī)的確定應(yīng)建立在裂隙發(fā)育程度和可注性的基礎(chǔ)上。

以趙莊礦5312大采高工作面為例，采用鉆孔應(yīng)力計(jì)和單體柱壓力計(jì)實(shí)測工作面超前支承壓力分布情況。超前影響范圍約為55m，劇烈影響范圍約為20m，峰值位置約在工作面前方8m。繪制曲線并進(jìn)行分區(qū)，如圖2所示。

圖2 5312工作面超前支承壓力分布曲線

4個(gè)分區(qū)裂隙發(fā)育及可注性情況：

①區(qū)為應(yīng)力降低區(qū)，工作面前方5m以內(nèi)，應(yīng)力降低的主要原因是煤壁及頂板揭露后受壓破碎，強(qiáng)度降低，承載能力大幅下降。裂隙十分發(fā)育，可注性極好，但裂隙與切眼導(dǎo)通，從順槽進(jìn)行深孔注漿，必然發(fā)生大面積漏漿無法封堵，而且材料無足夠時(shí)間達(dá)到強(qiáng)度.

②區(qū)和③區(qū)均為應(yīng)力升高區(qū)，工作面前方5～55m。②區(qū)裂隙發(fā)育程度更高，裂隙大量張開、導(dǎo)通，可注性較好，并且①區(qū)可以起到隔離、封閉作用，防止切眼內(nèi)漏漿，非常適合注漿。

③區(qū)離工作面相對(duì)較遠(yuǎn)，開始受到超前支承壓力作用，隨著離工作面越來越近，壓力值平緩增大，裂隙緩慢張開，可注性越來越好，但顯然不如②區(qū)。

④區(qū)位于超前支承壓力影響區(qū)之外，裂隙不發(fā)育，貫通性差，可注性差，注漿量小，注漿壓力大，且逐漸完畢后進(jìn)入超前支承壓力區(qū)重新壓碎，不適合注漿。

可注性分析表明，②區(qū)和③區(qū)較適合注漿，即工作面前方5～55m。為了保證切眼內(nèi)不發(fā)生漏漿，止?jié){層應(yīng)設(shè)置10m以上，即深孔注漿時(shí)機(jī)應(yīng)該在工作面前方10m以外。③區(qū)內(nèi)裂隙張開十分緩慢，直到工作面前方30m才開始明顯變化，并且在③區(qū)注漿后，仍要經(jīng)過②區(qū)劇烈壓力階段生成大量裂隙，因此，建議注漿時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在②區(qū)，即最佳注漿時(shí)機(jī)為工作面前方10～20m。

為了避免施工緊張，可以提前施工鉆孔、預(yù)埋注漿管、封孔，然后等到進(jìn)入工作面前方10～20m時(shí)再進(jìn)行集中注漿。

3 現(xiàn)場實(shí)測

3.1 工程概況

在趙莊礦5312工作面開展不同區(qū)域注漿量試驗(yàn)及效果考察。

5312大采高工作面走向長1305m，傾斜長294m，平均采高4.75m，煤層走向平均仰角2°，傾向上近水平。工作面布置53121進(jìn)風(fēng)巷和53123回風(fēng)巷兩條巷道，巷道寬5m，高4.5m。切眼前方0～150m為復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)，煤層上方為一層1～3m厚的薄層狀泥巖，上方為0.2m厚煤線，受擾動(dòng)極易發(fā)生冒落，在巷道掘進(jìn)時(shí)已有體現(xiàn)，形成多處冒落超高區(qū)。因此，必須進(jìn)行注漿加固，保障工作面安全回采。如圖3所示。

3.2 鉆孔布置方案

鉆孔上下兩排，三花布置。下排孔開孔高度2m，鉆孔間距10m，仰角5°，孔深135m，終孔位置在煤層與頂板交界面。上排孔開孔高度3m，鉆孔間距10m，孔深100m，仰角6°，終孔位置在煤層頂部以上3m位置?？讖骄鶠?4mm。鉆孔布置如圖4所示。

圖3 5312工作面復(fù)合頂板區(qū)域示意圖

圖4 鉆孔布置示意圖

3.3 分區(qū)注漿量考察

為避免切眼后方實(shí)體煤對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，工作面推進(jìn)50m后，利用檢修班開始進(jìn)行分區(qū)注漿量考察試驗(yàn)。

試驗(yàn)鉆孔數(shù)量：鉆孔間距5m，①區(qū)1個(gè)，②區(qū)3個(gè)，③區(qū)6個(gè)，④區(qū)5個(gè)。采用4臺(tái)液壓注漿泵，均勻布置，同時(shí)注漿。檢修班內(nèi)將所有鉆孔注漿完畢，統(tǒng)計(jì)注漿終止壓力和注漿量，如表1所示。

表1 分區(qū)注漿量統(tǒng)計(jì)表

3.4 分區(qū)注漿效果考察

檢修班注漿結(jié)束后，工作面繼續(xù)推進(jìn)，觀察工作面經(jīng)過各分區(qū)時(shí)片幫、冒頂情況，匯總?cè)缦拢?/p>

經(jīng)過①區(qū)時(shí)，漿液尚未完全固化，強(qiáng)度不足，比之前推進(jìn)情況并無明顯改善，平均推進(jìn)速度2m/d；經(jīng)過②區(qū)時(shí)，可見大量擴(kuò)散痕跡，顏色發(fā)白，完全固化，未發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象，平均推進(jìn)速度8m/d；經(jīng)過③區(qū)時(shí)，局部可見漿液擴(kuò)散痕跡，完全固化，仍可見大量裂隙，片幫情況時(shí)有發(fā)生，平均推進(jìn)速度4m/d；經(jīng)過④區(qū)時(shí)，除注漿孔內(nèi)完全固化的漿液圓柱段，其余區(qū)域幾乎未發(fā)現(xiàn)漿液擴(kuò)散痕跡，可見大量裂隙、空洞，工作面片幫、冒頂情況與①區(qū)類似，平均推進(jìn)速度2m/d。

4 結(jié)論

（1）構(gòu)造區(qū)深孔預(yù)注漿加固技術(shù)是在兩順槽布置深孔，鉆孔層位兼顧頂板和煤壁中上部，采用超細(xì)、高滲、早強(qiáng)的無機(jī)注漿材料，選擇最佳注漿時(shí)機(jī)進(jìn)行注漿；

（2）采用理論分析法，對(duì)工作面前方各區(qū)域進(jìn)行裂隙發(fā)育程度和可注性分析，認(rèn)為工作面前方10～20m為最佳注漿時(shí)機(jī)；

（3）工程實(shí)例表明，在最佳注漿時(shí)機(jī)內(nèi)進(jìn)行注漿，平均單孔注漿量5t，平均推進(jìn)速度8m/d，未發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象，加固效果顯著優(yōu)于其他區(qū)域。