垮落帶直覆下采煤地面注漿加固頂板技術(shù)

孟祥帥，魯海峰，年 賓，于 玉

（1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001；2.中勘資源勘探科技股份有限公司，安徽 淮北235000）

開采近距離分岔煤層時(shí)，上部煤層的開采會(huì)導(dǎo)致下部煤層頂板嚴(yán)重破碎，使下部煤層頂板成為采空區(qū)垮落帶，其破碎頂板易超前漏冒，煤壁易片幫，圍巖控制困難，難以實(shí)現(xiàn)工作面安全高效開采[1-6]。為保證生產(chǎn)安全，提高煤炭產(chǎn)量，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)垮落帶直覆下采煤破碎頂板加固問題開展了大量研究，主要是從加強(qiáng)頂板支護(hù)方面入手，采用鋪鋼絲網(wǎng)、錨桿加固、注漿固化等措施控制破碎頂板[7-9]，其中最有效的方法是注漿固化，通過注漿鉆孔將漿液注入破碎頂板使其固結(jié)成1 個(gè)整體，保證其在采動(dòng)過程中不發(fā)生坍塌，該方法在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了大量驗(yàn)證[10-17]。目前破碎頂板加固一般采用井下注漿，如李鵬等[18]以余吾煤業(yè)N2202 工作面為背景，研究了注漿加固作用機(jī)理及永固S 注漿材料的力學(xué)性能，對(duì)片幫嚴(yán)重的工作面采取超前拉架、井下上向孔注漿等措施成功控制住了煤壁和頂板。王全明[19]針對(duì)趙莊煤業(yè)1307 大采高工作面軟弱復(fù)合頂板容易發(fā)生冒頂?shù)墓こ虒?shí)際，采用兩煤巷超前深孔注漿加固，使工作面片幫冒頂?shù)玫矫黠@改善。陳金宇[20]以寺家莊礦15106 大采高孤島工作面破碎頂板為研究對(duì)象，提出在回風(fēng)巷超前深孔后退式分段復(fù)合預(yù)注漿進(jìn)行加固，并運(yùn)用UDEC 模擬軟件確定了最佳注漿參數(shù)及注漿后破碎頂板的膠結(jié)狀態(tài)。雖然井下注漿方式應(yīng)用較廣，但仍存在不少缺陷，如漿液在無壓條件下自由擴(kuò)散不均勻，無法做到大面積覆蓋，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、鉆孔工程量大等，嚴(yán)重影響工作面的接替及高效回采。地面注漿則以其施工條件好，漿液擴(kuò)散易控制而具有很大優(yōu)勢(shì)，但地面注漿因施工工藝復(fù)雜，技術(shù)要求較高[21-23]，目前多用于地基處理[24]、隧道加固[25]、地面減沉[26-27]等淺表工程，將其用于分岔煤層破碎頂板加固報(bào)道較少。為此，針對(duì)許疃煤礦7228 工作面垮落帶直覆下采煤破碎頂板加固問題，提出地面注漿加固思路，從漿液選擇、鉆探技術(shù)及注漿工藝等方面對(duì)地面注漿加固破碎頂板施工工藝進(jìn)行了研究，并通過地面探查、井下物探和回采實(shí)揭頂板進(jìn)行注漿效果評(píng)價(jià)，為后續(xù)類似條件下的注漿工程提供技術(shù)借鑒。

1 工程背景

許疃煤礦82下采區(qū)位于井田西北部，主采71、72、82煤層，71煤與72煤呈分岔合并關(guān)系，淺部分岔，深部合并，71-72分岔煤層示意圖如圖1。

圖1 71-72 分岔煤層示意圖Fig.1 Sketch map of 71-72 spliting coal seam

7228 工作面位于82下采區(qū)上山右翼第1 階段，西為7226 工作面。工作面走向長(zhǎng)1 421 m，傾斜寬245 m，整體呈南北走向，向東傾斜的單斜構(gòu)造。工作面里段地面標(biāo)高+25.56 m，松散層厚348.30 m；里段260 m 為71、72煤層合并區(qū)，其上段130 m 上覆7128 工作面已于2007 年回采，下段110 m 為72煤合并未回采區(qū)域；工作面外段上覆71煤層7128、71210 工作面已于2007 年、2009 年回采；72煤層距上覆采空區(qū)0～13 m，平均6.83 m。煤巖層傾角5°～30°，平均12°，工作面開采標(biāo)高-417.9～-528.3 m。7228 工作面平面圖如圖2。采煤工藝為綜合機(jī)械化采煤，直接垮落法管理頂板。

圖2 許疃煤礦7228 工作面平面圖Fig.2 7228 working face plan of Xutuan Coal Mine

受71煤層已回采影響，72煤層直接頂板破碎，支護(hù)困難。相鄰7226 工作面，上覆采空區(qū)下開采，回采過程中受采空區(qū)影響頂板破碎，推進(jìn)度少，產(chǎn)能底，很大程度影響工作面乃至礦井的高產(chǎn)高效，考慮到7226 工作面先例，為提高破碎頂板特殊地質(zhì)條件下的開采安全、解決7228 工作面里段回采所面臨的工程地質(zhì)問題，確保7228 工作面安全高效開采，采用地面注漿技術(shù)對(duì)72煤層頂板進(jìn)行注漿加固。

2 破碎頂板注漿加固技術(shù)

2.1 注漿方案

在7118 近機(jī)巷側(cè)、71210 切眼附近分2 期布置地面鉆孔，注漿孔布置示意圖如圖3。一期布置X1、X2 和X3 3 個(gè)鉆孔，二期增補(bǔ)X4、X5 和X6 3 個(gè)鉆孔，如圖3（a），終孔于71煤層采空區(qū)下界3 m 左右，如圖3（b）。建設(shè)地面注漿站，注入水泥-粉煤灰液漿，對(duì)71煤層采空區(qū)進(jìn)行注漿改造，通過漿液有效地改善采空區(qū)膠結(jié)狀態(tài)，使破碎頂板重新形成1個(gè)整體，以期實(shí)現(xiàn)7228 工作面的安全高效開采。

2.2 漿液選擇

圖3 注漿孔布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of borehole layout

目前常用的注漿材料有3 類，固體顆粒注漿材料、化學(xué)注漿材料和精細(xì)礦物注漿材料[28]。這3 類注漿材料在適用范圍、固結(jié)效果和施工成本等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，注漿材料優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 注漿材料優(yōu)缺點(diǎn)[28]Table 1 Advantages and disadvantages of grouting materials

在綜合分析以上3 類注漿材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行漿液選擇時(shí)，主要從工程需要和工程成本2 方面考慮。在工程需要上，7228 工作面頂板為垮落帶直覆下的煤層頂板，其加固的主要目的是充填采動(dòng)裂隙，增強(qiáng)其穩(wěn)定性，要求漿液流動(dòng)性好，結(jié)石體強(qiáng)度低，且漿液需要適當(dāng)長(zhǎng)的凝結(jié)時(shí)間；在工程成本方面，固體顆粒注漿材料相對(duì)于另外2 類材料造價(jià)低，施工方便，且應(yīng)用廣泛。結(jié)合以上2 點(diǎn)，認(rèn)為水泥作為1 種成熟的注漿材料，適宜對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿[29-30]。因水泥的價(jià)格相對(duì)于粉煤灰較高，在水泥漿中加入適量的粉煤灰，雖然降低了強(qiáng)度，但能改善漿液的性能，且顯著降低工程成本，因此，水泥-粉煤灰液漿作為7228工作面注漿工程的優(yōu)先材料選擇。

為了解漿液物理性能，確定最佳漿液配比，對(duì)水泥、粉煤灰材料配比進(jìn)行試驗(yàn)研究，從漿液析水率、漿液密度、漿液凝結(jié)時(shí)間等角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了漿液靜置試驗(yàn)、漿液析水試驗(yàn)和漿液配比試驗(yàn)。

1）在水灰比1∶1 的基礎(chǔ)上，固相比2∶8 的材料配比流動(dòng)性整體較好，結(jié)石體強(qiáng)度在1 MPa 之上，且凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，又因其粉煤灰量較大，既增加了漿液的性能，又降低了工程成本。

2）基于工程需要和經(jīng)濟(jì)成本考慮，在進(jìn)行7228工作面地面注漿加固頂板工程時(shí)，水灰比定為1∶1，固相比定為2∶8，水泥∶粉煤灰∶水配比2∶8∶10 的配比方案為最佳選擇。

2.3 鉆探技術(shù)

鉆孔穿過頂板破碎帶時(shí)可能會(huì)面臨沖洗液漏失、孔壁坍塌、卡鉆、埋鉆等問題，解決這些問題的主要方法是設(shè)計(jì)良好的鉆孔結(jié)構(gòu)以及完善的成孔工藝。在鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，考慮到成孔后注漿過程也會(huì)產(chǎn)生孔壁坍塌等情況，因此為確保漿液順利注入目標(biāo)層位，將鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為二開結(jié)構(gòu)，注漿孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖4，鉆孔分為一、二套管。一開套管設(shè)計(jì)目的是護(hù)壁，防止孔壁坍塌，保證鉆進(jìn)形成完整孔，二開套管設(shè)計(jì)目的是導(dǎo)液，保證漿液直接輸送到套管底部的注漿目的段。

為保證順利成孔，在成孔工藝上，使用三步措施：①一開套管結(jié)構(gòu)，保障鉆孔在下部穿層時(shí)，上覆地層不坍塌；②調(diào)整漿液黏度，形成有效護(hù)壁，使鉆孔穿過采空區(qū)減少坍塌；③使用沖洗液來回沖孔，沖掉坍塌的巖塊，保證鉆孔可以持續(xù)鉆進(jìn)。

鉆進(jìn)施工分為2 步，一開鉆進(jìn)采用φ130 mm 孔徑鉆進(jìn)至基巖，而后用φ216 mm 擴(kuò)孔器擴(kuò)孔，下入φ177.8 mm×8.05 mm 護(hù)壁套管；二開鉆進(jìn)先采用φ91 mm 孔徑進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆進(jìn)穿過上部煤層采空區(qū)至下部煤層底板后進(jìn)行測(cè)井。然后采用φ152 mm 帶導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，直至孔底，注漿孔參數(shù)見表2。在二開施工過程中，發(fā)現(xiàn)孔壁不穩(wěn)定，易塌孔、掉塊，沖洗液漏失情況，采用稀泥漿進(jìn)行了頂漏鉆進(jìn)，確保成孔質(zhì)量。

圖4 注漿孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of grouting hole structure

表2 注漿孔參數(shù)Table 2 Grouting hole parameters

2.4 注漿工藝

7228 工作面地面注漿工程主要目的是充填加固72煤頂板上71煤采后“垮落帶”裂隙，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。其工藝流程為：注漿設(shè)備安裝與調(diào)試、相關(guān)大型工程施工→（沖洗注漿段→安裝孔口裝置→）注漿系統(tǒng)試運(yùn)轉(zhuǎn)并做耐壓試驗(yàn)→壓（注）水試驗(yàn)、水泥漿凝固試驗(yàn)→確定注漿參數(shù)→造漿壓注→觀測(cè)、記錄與情況分析→拆洗注漿系統(tǒng)→壓（注）水試驗(yàn)→優(yōu)化注漿參數(shù)，準(zhǔn)備下一階段注漿。

7228 工作面地面注漿工程遵循以下原則：①注漿的目的層位是72煤頂板上71煤采后“垮落帶”裂隙；②當(dāng)鉆孔未揭露目的層時(shí)，遇見沖洗液消耗或漏失現(xiàn)象采取調(diào)配泥漿堵漏鉆進(jìn)，或頂漏鉆進(jìn)；③在每次注漿前必須先（注）壓清水，穩(wěn)定時(shí)間60 min以上，獲取注水量，結(jié)合注漿前孔內(nèi)水位，計(jì)算單位吸水量和導(dǎo)水系數(shù)，為確定漿液濃度、泵壓、泵量提供依據(jù)；④注漿前設(shè)備應(yīng)認(rèn)真調(diào)試，驗(yàn)收合格后，方可正式注漿。

在注漿方式上，注漿工程前期采用孔口止?jié){、靜壓下行式注漿法。到注漿中后期則采用孔口止?jié){、下置注漿管至注漿段注漿。工程中設(shè)計(jì)了3 條注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：①根據(jù)孔內(nèi)漿柱自重壓力確定注漿終壓選為4.0 MPa，當(dāng)孔口壓力達(dá)到以上值時(shí)，即可認(rèn)為受注層段注漿已達(dá)到壓力結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)注漿終壓達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，應(yīng)逐次換檔降低泵量，直至泵量不大于60 L/min，并維持30 min；②井下觀測(cè)效果已達(dá)設(shè)計(jì)要求，或井下跑漿、漏水和巷道變形嚴(yán)重；③漿液注入量已達(dá)設(shè)計(jì)注漿總量。以上3 條均可作為注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

3 注漿效果評(píng)價(jià)

注漿效果評(píng)價(jià)主要采用地面和井下2 種方式進(jìn)行，地面通過對(duì)孔內(nèi)地層及水文情況進(jìn)行觀測(cè)、分析，判斷注漿效果；井下則通過采掘施工前，對(duì)注漿區(qū)段進(jìn)行超前探查、取樣，驗(yàn)證注漿擴(kuò)散半徑及注漿后工作面回采過程中的實(shí)際觀測(cè)來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 地面鉆探驗(yàn)證

鉆探過程中對(duì)孔內(nèi)地層及水文情況觀測(cè)、分析得出：X4 孔在“裂隙帶”上部位置有沖洗液全漏失情況，整體漏失段及漏失量已降低，在部分層段消耗量＜3 m3/h。X5 孔在“裂隙帶”中上部無明顯消耗，消耗量＜0.5 m3/h，下部開始漏失量漸增，至71煤層采空區(qū)“垮落帶”處沖洗液才大量消耗及全漏失，漏失量＞15 m3/h。遇漏后通過調(diào)漿和簡(jiǎn)易封堵可以減小漏失量甚至完全堵漏，表明注漿后裂隙已得到充填。X6孔在鉆進(jìn)穿過72煤層頂板“裂隙帶”及“垮落帶”段過程中，沖洗液僅有微量消耗，消耗量0.02～0.08 m3/h，表明通過前期5 孔注漿治理區(qū)裂隙已得到完全充填。X4、X5、X6 孔在鉆進(jìn)穿過72煤層頂板“裂隙帶”及“垮落帶”段過程中，孔內(nèi)掉塊現(xiàn)象減少甚至無掉塊，表明注漿后采空區(qū)破碎巖石膠結(jié)良好，注漿加固效果顯著。

3.2 物探驗(yàn)證與井下觀測(cè)

注漿中期，在7228 工作面里段采用瞬變電磁法對(duì)頂板富水性進(jìn)行了探測(cè)，結(jié)果顯示工作面煤層頂板向上0～60 m 范圍內(nèi)存在3 處低阻異常區(qū)（YC1～YC3），其中YC2 低阻區(qū)為本工作面煤層頂板較強(qiáng)富水區(qū)。為探驗(yàn)證注漿加固效果，查明異常區(qū)砂巖富水性和注漿析出水殘余情況，對(duì)瞬變電磁探測(cè)異常區(qū)采用頂板鉆探手段，共設(shè)計(jì)施工3 組9 個(gè)探放孔。鉆孔施工后均無出水現(xiàn)象，鉆探結(jié)果顯示3 處物探低阻異常區(qū)不富水。隨后在7228 工作面里段（X6孔注漿范圍段）采用瞬變電磁法對(duì)煤層頂板富水性進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)區(qū)域頂板5～60 m 范圍視電阻率值較高，無低阻異常區(qū)，說明漿液有效地充填了采動(dòng)裂隙。

注漿結(jié)束后，7228 開始正?；夭?，在工作面回采35 m 時(shí)采線距X1 孔5 m，工作面110#～140#架開始揭露注漿頂板，平均厚200 mm，其中127#架較為明顯，井下實(shí)揭72煤層頂板如圖5。對(duì)比注漿前后，破碎巖石均膠結(jié)成完整結(jié)石體，表明頂板注漿改造效果良好。

圖5 井下實(shí)揭72 煤層頂板Fig 5 Underground uncovering 72 coal seam roof

4 結(jié) 論

1）為確定最佳漿液配比進(jìn)行了漿液靜置試驗(yàn)、漿液析水試驗(yàn)和漿液配比試驗(yàn)，得出固相比為2∶8的材料配比方案，其流動(dòng)性能整體較好，結(jié)石體強(qiáng)度在1 MPa 之上，且凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，又因粉煤灰量大，既增加了漿液的性能，又降低了工程成本。最終確定水灰比為1∶1，固相比2∶8 的材料配比方案為最佳選擇。

2）在鉆探技術(shù)方面，設(shè)計(jì)了二開結(jié)構(gòu)鉆孔，其中一套管起護(hù)壁作用，二套管起導(dǎo)液作用，一開鉆進(jìn)至基巖，二開鉆進(jìn)至目的層，鉆井過程中同時(shí)進(jìn)行了鉆孔測(cè)井與頂漏鉆井，保證了成孔質(zhì)量。

3）設(shè)計(jì)了完善的注漿工藝，制定了注漿原則，注漿方式、單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以及注漿效果檢驗(yàn)方法，保證了漿液順利注入目的層。

4）通過地面鉆探、井下物探和回采觀測(cè)等手段進(jìn)行注漿效果評(píng)價(jià)，得出漿液沿破碎頂板空隙均勻擴(kuò)散，有效充填了采空區(qū)裂隙，注漿結(jié)束后7228 工作面正?；夭蓪?shí)揭頂板膠結(jié)良好，表明注漿加固效果顯著，72煤層破碎頂板得到了有效加固。