工作面褶皺構(gòu)造超前注漿加固技術(shù)研究

李界潮

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

褶皺構(gòu)造破壞煤巖體的強(qiáng)度和連續(xù)性，疊加殘余構(gòu)造應(yīng)力，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響[1-4]。蘭花集團(tuán)伯方煤礦工作面回采通過(guò)褶皺構(gòu)造時(shí)，以往對(duì)其的處理方法是在揭露褶皺構(gòu)造前，或工作面出現(xiàn)片幫、冒頂情況時(shí)停止生產(chǎn)，采用化學(xué)漿液進(jìn)行注漿加固。但工作面停產(chǎn)容易造成應(yīng)力集中，對(duì)工作面煤巖體產(chǎn)生更大的破壞，且化學(xué)漿液成本較高，每年的注漿加固費(fèi)用近5000 萬(wàn)元，影響礦井效益。針對(duì)這種情況，以3302 工作面為工程基礎(chǔ)，對(duì)工作面內(nèi)的褶皺構(gòu)造進(jìn)行了新型無(wú)機(jī)材料注漿加固技術(shù)試驗(yàn)研究，以期減少注漿加固費(fèi)用，并確保工作面安全回采。

1 概況

3302 工作面為走向長(zhǎng)壁回采工作面，綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板，走向長(zhǎng)度為1800 m，傾斜長(zhǎng)度195 m，煤層埋深327～400 m，工作面煤厚6 m 左右。在回采放頂過(guò)程中，工作面和兩順槽壓力顯現(xiàn)十分明顯，疊加褶皺構(gòu)造較發(fā)育，致使工作面片幫、冒頂現(xiàn)象非常普遍，最嚴(yán)重時(shí)工作面月進(jìn)尺不足30 m。在采用化學(xué)漿液對(duì)其進(jìn)行注漿改造時(shí)，單月消耗注漿材料超過(guò)250 t，注漿費(fèi)用超過(guò)500 萬(wàn)元。

2 治理思路

利用化學(xué)漿液對(duì)煤壁和頂板進(jìn)行注漿加固的缺陷是化學(xué)漿液的凝固速度過(guò)快，導(dǎo)致擴(kuò)散半徑較小，必須在工作面回采揭露或接近褶皺構(gòu)造時(shí)進(jìn)行，更適合應(yīng)急處理，無(wú)法作為預(yù)防措施。且化學(xué)漿液只能淺孔注漿，需要在工作面內(nèi)開展，注漿時(shí)要停止工作面回采，而工作面一旦停產(chǎn)，其煤壁和頂板受到超前支承應(yīng)力的長(zhǎng)時(shí)作用會(huì)進(jìn)一步發(fā)生變形，增加破壞范圍，使工作面煤體片幫、冒頂情況更加嚴(yán)重，導(dǎo)致注漿量增加，產(chǎn)生惡性循環(huán)。

基于此，對(duì)破碎區(qū)域應(yīng)進(jìn)行提前預(yù)防，在上下巷內(nèi)對(duì)褶皺構(gòu)造進(jìn)行超前注漿加固，以提高褶皺影響帶內(nèi)煤巖體的強(qiáng)度和完整性，提高其承載能力，盡量避免工作面停產(chǎn)，并減少化學(xué)漿液用量。

該技術(shù)的關(guān)鍵在于材料選擇，此前經(jīng)常使用的普通水泥漿液和化學(xué)漿液均有一定局限性。普通水泥漿液細(xì)度不夠，擴(kuò)散效果較差，漏漿時(shí)難以封堵，且凝固速度和強(qiáng)度無(wú)法滿足需要；化學(xué)漿液擴(kuò)散半徑小，成本高，無(wú)法滿足深孔注漿要求。

3 無(wú)機(jī)新材料預(yù)注漿方案

3.1 注漿區(qū)域

根據(jù)掘進(jìn)揭露和物探成果，在3302 工作面切眼向外545～585 m 范圍內(nèi)，存在一向斜構(gòu)造，走向長(zhǎng)度40 m，傾向影響長(zhǎng)度約55 m。3302 工作面進(jìn)風(fēng)巷沿頂掘進(jìn)通過(guò)向斜構(gòu)造期間，為減少巷道傾角，決定破頂掘進(jìn)，增加底煤厚度。巷道掘進(jìn)為半煤巖或全巖，進(jìn)風(fēng)巷煤巖體較為破碎。本次試驗(yàn)范圍如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域煤層賦存示意圖

3.2 注漿孔設(shè)計(jì)方案

在工作面通過(guò)構(gòu)造的40 m區(qū)域內(nèi)（545～585 m），按照10 m 間距分別選擇4 個(gè)關(guān)鍵位置，從進(jìn)風(fēng)巷向煤體內(nèi)部進(jìn)行鉆探，并根據(jù)鉆探成果繪制煤層傾向剖面圖。在剖面圖上確定支架在煤層內(nèi)的布置形式，設(shè)計(jì)支架的高度范圍，并以此為依據(jù)布置注漿鉆孔。

注漿鉆孔的布置原則：對(duì)進(jìn)風(fēng)巷煤層及巷道頂板的觀察可知，工作面煤質(zhì)較硬，但泥巖頂板比較破碎，所以本次主要加固泥巖頂板。注漿鉆孔要布置在破碎泥巖頂板或接近泥巖頂板的支架以上2 m左右位置，高度范圍上方2 m 層位。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，鉆孔注漿擴(kuò)散半徑約為3 m。4個(gè)關(guān)鍵位置傾向剖面和鉆孔設(shè)計(jì)示意圖如圖2 所示。

圖2 4 個(gè)關(guān)鍵位置剖面和鉆孔設(shè)計(jì)圖

通過(guò)對(duì)4 個(gè)關(guān)鍵位置設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)的分析，本次注漿鉆孔俯角最大6°。根據(jù)煤層變化情況，在4 個(gè)關(guān)鍵位置參數(shù)的基礎(chǔ)上，依次內(nèi)插設(shè)計(jì)其余鉆孔。為確保注漿效果，設(shè)計(jì)鉆孔間距為2 m，孔徑為94 mm。在40 m 范圍內(nèi)設(shè)計(jì)鉆孔21 個(gè)，編號(hào)為1～21#。鉆孔設(shè)計(jì)圖如圖3所示，鉆孔相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 注漿鉆孔設(shè)計(jì)圖

表1 鉆孔相關(guān)參數(shù)表

3.3 無(wú)機(jī)新材料選擇及配比

本次注漿選擇的無(wú)機(jī)新材料分為雙漿液注漿材料、單漿液注漿材料兩種。

雙漿液注漿材料凝固速度較快，適合于對(duì)淺表裂隙和錨桿（索）孔等漏漿通道進(jìn)行封堵，孔深0～20 m，分為A、B 兩種型號(hào)，水灰比為0.8:1。在混合后0.5～2 min 內(nèi)失去流動(dòng)性，在5～10 min 內(nèi)全部固化，2 h 后單體抗壓強(qiáng)度為11 MPa，1 d 后強(qiáng)度達(dá)15 MPa 以上，主要對(duì)淺部破碎圍巖進(jìn)行加固。

單漿液注漿材料凝固速度較慢，可滿足深孔注漿要求，適用孔深20～150 m。單漿液注漿材料是超細(xì)水泥基注漿材料，其細(xì)度超過(guò)1000 目，添加外加劑之后，在40 min 內(nèi)流動(dòng)性較好，在深孔中充分?jǐn)U散，其超細(xì)化漿液具備良好的均質(zhì)性，流動(dòng)和擴(kuò)散的過(guò)程中可避免泌水，能夠深入煤巖體微小裂隙，在1 d 后單體抗壓強(qiáng)度為20 MPa，3 d 后強(qiáng)度可達(dá)40 MPa 以上。

3.4 循環(huán)注漿工藝

為保證漿液在全孔有效擴(kuò)散，提高整體加固效果，本次采用循環(huán)注漿工藝，每個(gè)循環(huán)10 m。即首先采用Φ133 mm 鉆頭，開孔施工3 m 后退鉆，下入Φ108 mm 孔口套管，然后利用Φ94 mm 鉆頭鉆進(jìn)10 m后退鉆，采用雙漿液注漿材料開展首次注漿；首次注漿結(jié)束后掃孔并鉆進(jìn)至20 m 后退鉆，采用雙漿液注漿材料開展第二級(jí)注漿；之后再次掃孔鉆進(jìn)30 m，采用單漿液注漿材料開展第三級(jí)注漿，此后使用的注漿材料全部為單漿液材料。以此類推，直至注漿結(jié)束。

3.5 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

本次注漿壓力進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，當(dāng)鉆孔深度小于10 m 時(shí)，設(shè)計(jì)注漿壓力為6～8 MPa；當(dāng)鉆孔深度超過(guò)10 m 時(shí)，設(shè)計(jì)注漿壓力為10～15 MPa。

注漿堵漏方案：循環(huán)注漿時(shí)，由于前20 m 使用雙漿液注漿材料，凝固速度較快，漏漿現(xiàn)象極少；當(dāng)使用單漿液注漿材料時(shí)，由于材料顆粒超細(xì)，且流動(dòng)性較好，在出現(xiàn)漏漿情況時(shí)無(wú)法自行封堵，則改換為雙漿液注漿材料進(jìn)行堵漏；之后繼續(xù)使用單漿液注漿材料進(jìn)行注漿，直到注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 注漿效果分析

4.1 工程量

本次注漿在超前工作面200 m 時(shí)進(jìn)行，施工工期為40 d，采用打一注一方式，避免出現(xiàn)串孔現(xiàn)象。進(jìn)風(fēng)巷共施工鉆孔21 個(gè)，總進(jìn)尺1664 m，共消耗新型無(wú)機(jī)注漿材料104 t，其中雙漿液注漿材料45 t，單漿液注漿材料59 t，工程費(fèi)用總計(jì)82 萬(wàn)元。

4.2 效果分析

（1）工作面冒頂情況

工作面回采通過(guò)未注漿加固的褶皺區(qū)時(shí)，煤層頂板片幫和冒頂情況頻繁發(fā)生，多次停產(chǎn)進(jìn)行處理；在進(jìn)入注漿加固區(qū)域后，煤壁形態(tài)良好，頂板較完整，未出現(xiàn)較大冒頂情況。

（2）工作面回采推進(jìn)速率

工作面回采通過(guò)未注漿加固的褶皺區(qū)域時(shí)，由于多次對(duì)冒落矸石進(jìn)行處理，回采速度為0.8 m/d；回采進(jìn)入注漿加固區(qū)域后，回采速度提升至2.4 m/d，未發(fā)生計(jì)劃外停產(chǎn)。

（3）化學(xué)漿液用量

本次無(wú)機(jī)材料注漿加固范圍為進(jìn)風(fēng)巷機(jī)頭區(qū)域，與機(jī)尾區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，機(jī)尾50 m 范圍內(nèi)每天化學(xué)漿用量4 t，機(jī)頭50 m 范圍內(nèi)未消耗化學(xué)漿。

（4）效益分析

本次試驗(yàn)區(qū)域共消耗無(wú)機(jī)新材料104 t，換算為漿液近178 m3，減去鉆孔體積約12 m3，則實(shí)際充填裂隙體積為166 m3。按照比重計(jì)算等于化學(xué)漿液83 t，費(fèi)用按1.5 萬(wàn)元/t 計(jì)算，共計(jì)124.5 萬(wàn)元，40 m 試驗(yàn)區(qū)域共節(jié)省42.5 萬(wàn)元，平均每米節(jié)約1.06萬(wàn)元。該礦褶皺構(gòu)造較為發(fā)育，工作面平均長(zhǎng)度按1500 m 計(jì)算，則改為無(wú)機(jī)新材料進(jìn)行注漿加固之后，單個(gè)工作面可節(jié)省注漿費(fèi)用近1600 萬(wàn)元。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于褶皺構(gòu)造造成的頂板破碎情況治理應(yīng)采用提前預(yù)防的方法。在上下巷對(duì)褶皺破壞區(qū)域進(jìn)行超前注漿，可提高破碎區(qū)域煤巖體的強(qiáng)度及完整性，同時(shí)不影響工作面的正常生產(chǎn)。

（2）通過(guò)對(duì)兩種無(wú)機(jī)新材料凝固性能的分析，雙漿液注漿材料適合于對(duì)淺表裂隙進(jìn)行填充，單漿液注漿材料適合于深部微小裂隙的填充，注漿加固效果顯著，與化學(xué)漿液相比成本降低80%以上。

（3）采用循環(huán)注漿工藝，每10 m 為一個(gè)循環(huán)可保證漿液的全孔擴(kuò)散，提高整體加固效果。采用兩種漿液配合注漿可有效避免漏漿現(xiàn)象。

（4）與未加固區(qū)域相比，本次注漿范圍內(nèi)未出現(xiàn)冒頂情況，回采速率由0.8 m/d 提高至2.4 m/d，提高了生產(chǎn)效率。采用無(wú)機(jī)新材料進(jìn)行注漿的試驗(yàn)區(qū)域，相比化學(xué)漿液注漿，可節(jié)約成本1.06 萬(wàn)元/m，效益可觀。