綜放工作面過(guò)斷層超前注漿加固技術(shù)研究

劉忠斌

(山西汾西正旺煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300)

回采工作面過(guò)斷層時(shí)由于受斷層影響，容易發(fā)生片幫、冒頂事故，給采面正常生產(chǎn)帶來(lái)不利影響[1]。注漿加固是穩(wěn)定煤巖體的常用技術(shù)措施，根據(jù)注漿材料不同可分為高分子化學(xué)注漿以及無(wú)機(jī)注漿[2]?；瘜W(xué)注漿可以在提升煤巖體穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出較好的應(yīng)用效果，但是也存在高溫下容易產(chǎn)生有害氣體、價(jià)格昂貴、污染等問(wèn)題，同時(shí)，由于凝固時(shí)間短僅能用于淺孔，因此需要在回采工作面進(jìn)行注漿，不僅會(huì)給采面生產(chǎn)帶來(lái)一定影響，而且還會(huì)出現(xiàn)部分漿液流入采空區(qū)或者頂板空洞內(nèi)，浪費(fèi)注漿材料[3-5]。而新興無(wú)機(jī)注漿材料具有與有機(jī)高分子材料相接近的性能，同時(shí)材料固結(jié)后的強(qiáng)度、固化速度、強(qiáng)度增加等方面可以媲美高分子材料，但是卻無(wú)高分子材料有關(guān)的缺陷[6]。因此，正旺煤礦在綜放開采工作面采用此注漿材料用以采面過(guò)斷層加固中，取得顯著應(yīng)用效果。

1 工程概況

11103工作面位于一采區(qū)北側(cè)，北鄰二采區(qū)準(zhǔn)備巷道，東鄰首采區(qū)大巷，南鄰102工作面，西鄰井田邊界。采面上部為2號(hào)、9號(hào)煤層采空區(qū)。11103工作面開采10號(hào)、11號(hào)煤，傾角2°～8°,厚度7.85 m，結(jié)構(gòu)由較簡(jiǎn)單～復(fù)雜，煤層頂板為泥巖，底板為泥巖。采面位置關(guān)系見圖1。

圖1 采面位置關(guān)系

2 注漿材料

選用的注漿材料為凱密安無(wú)機(jī)加固材料，該材料主要成分為無(wú)機(jī)礦粉，是一種新型的礦用環(huán)保型注漿加固材料。該材料分為單液、雙液兩種形式，其中，單液材料具有失流時(shí)間長(zhǎng)，材料加水?dāng)嚢韬?0 min～40 min內(nèi)仍具有較好的流動(dòng)性，約120 min～180 min漿液失去流動(dòng)性，可以滿足漿液短時(shí)間存放以及深孔注漿時(shí)需要較長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散需要，漿液在10 h～12 h后得以完全硬化，24 h后抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到20 MPa;雙液材料由于具備速凝、早強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于采面淺孔注漿及封孔等，兩種漿液在混合之前24 h內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)沁水、凝固、沉淀等問(wèn)題，漿液混合后3 min～10 min即可凝結(jié)，當(dāng)水灰比按0.8∶1.0混合1 h～8 h后，漿液凝固后強(qiáng)度可達(dá)8 MPa～14 MPa。具體凱密安性能參數(shù)見第128頁(yè)表1。

3 超前注漿加固方案

注漿是為了提升斷層破碎帶穩(wěn)定性，由于受斷層構(gòu)造影響煤壁裂隙更為發(fā)育，采用淺孔注漿時(shí)容易出現(xiàn)跑漿、漏漿等問(wèn)題，不僅造成注漿材料浪費(fèi)，而且達(dá)不到預(yù)期注漿效果。因此，注漿選用淺孔注漿對(duì)表層煤體裂隙進(jìn)行封堵、深孔注漿提升斷層破碎帶圍巖強(qiáng)度注漿方案，具體為，先采用雙液漿進(jìn)行淺孔注漿封堵煤壁裂隙，后采用單液漿進(jìn)行深孔注漿。

表1 凱密安性能參數(shù)

3.1 注漿鉆孔布置

為了提升鉆孔利用率，降低注漿成本，決定利用瓦斯抽采鉆孔作為注漿孔對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行加固。

淺孔注漿布置在11103工作面回采巷道內(nèi)斷層破碎帶影響區(qū)域內(nèi)，注漿孔分兩排布置成三花眼狀，其中，上、下兩排鉆孔距離巷道底板間距分別為2.5 m、1.0 m，仰角分別為3°～4°、1°～2°m，鉆孔間距、孔深分別為3.0 m、5.0 m，孔徑50 mm，具體注漿孔布置見圖2。

圖2 淺部注漿孔布置示意圖

3.2 注漿孔封孔

采用兩堵一注方式封孔，封孔長(zhǎng)度為4.0 m，采用的封孔管為孔徑20 mm鋼管，其余管路為32 mm孔徑PE管，PE管與鋼管間通過(guò)插接方式連接，具體封孔方式見圖3。封孔材料選用速凝雙液料。

圖3 注漿封孔示意圖

3.3 注漿工藝

3.3.1 注漿壓力

注漿壓力過(guò)大或者過(guò)小均不能起到較好的注漿效果，壓力過(guò)大時(shí)會(huì)在煤體內(nèi)產(chǎn)生新的裂隙同時(shí)將阻力小的裂隙貫通，增加跑漿、漏漿程度；壓力過(guò)小時(shí)起不到應(yīng)有的注漿效果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，深孔注漿壓力為15 MPa，當(dāng)漏漿或者跑漿嚴(yán)重時(shí)壓力降低至8 MPa～10 MPa；淺孔注漿以及封孔注漿壓力選擇為8 MPa～10 MPa，當(dāng)漏漿或者跑漿嚴(yán)重時(shí)可將注漿壓力降低至6 MPa～8 MPa。

3.3.2 注漿量

注漿量與注漿鉆孔長(zhǎng)度、煤體內(nèi)裂隙發(fā)育程度以及注漿壓力等參數(shù)密切相關(guān)，合理的注漿量應(yīng)能確保注漿區(qū)域注漿后有顯著的加固效果；若注漿量過(guò)大則會(huì)造煤體內(nèi)產(chǎn)生新的裂隙，破壞煤巖體穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)初步估算，深孔注漿孔單個(gè)鉆孔注漿量為2 000 kg。

3.4 合理注漿時(shí)機(jī)

淺部注漿孔施工完成后即可進(jìn)行注漿，從而封孔表層煤體裂隙，為后續(xù)深孔注漿提供止?jié){層。采面開采后前方煤體支承壓力分布具體見圖4。

圖4 采面前方支承壓力分布示意圖

在原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)，由于煤巖體裂隙不發(fā)育，深孔注漿效果不明顯，若采用較大的注漿壓力強(qiáng)行注漿，則注漿后的煤體強(qiáng)度未能較原始煤體注漿強(qiáng)度大，同時(shí)，在原巖應(yīng)力區(qū)后續(xù)還會(huì)受到采面明顯影響，加固后的煤體會(huì)再次出現(xiàn)裂隙，從而影響加固效果，不能起到防止采面頂板冒落、煤壁片幫等作用。應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育，可注性較強(qiáng)，但是高應(yīng)力增加注漿難度，注漿漿液在煤體內(nèi)流動(dòng)以滲漏、劈裂注漿為主。在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)煤體破碎、裂隙十分發(fā)育，煤體基本喪失承載能力，可注性好，但是對(duì)注漿加固材料強(qiáng)度要求高，同時(shí)注漿會(huì)造成大量漿液外漏，浪費(fèi)現(xiàn)象明顯。綜合上述分析，深孔注漿應(yīng)在應(yīng)力增高區(qū)的后半部分，結(jié)合礦井采面推進(jìn)速度、注漿漿液凝固時(shí)間，綜合確定回采工作面與斷層他相距50 m時(shí)開始進(jìn)行深孔注漿。

4 現(xiàn)場(chǎng)注漿實(shí)踐

4.1 淺孔注漿

淺孔注漿在深孔注漿之前完成，選用的注漿材料為雙液漿，選用的注漿泵為氣動(dòng)雙液注漿泵，注漿現(xiàn)場(chǎng)布置盛漿桶、攪拌桶各兩個(gè)，并配備相應(yīng)的注漿管及混合器。

4.2 深孔注漿

注漿點(diǎn)位于11103工作面回采巷道內(nèi)，注漿不會(huì)對(duì)采面正常生產(chǎn)帶來(lái)不利影響。注漿漿液為單液漿，具體注漿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5，選用的注漿泵型號(hào)為ZBYSB100/20-18.5。

圖5 注漿系統(tǒng)

在采面回風(fēng)巷斷層帶附近9個(gè)瓦斯抽采鉆孔、風(fēng)巷8個(gè)瓦斯抽采孔內(nèi)注入凱密安單液漿分別為20.7 t、19.2 t，單個(gè)鉆孔的注漿量分別為2.3 t、2.4 t。

4.3 注漿效果

為了對(duì)注漿后的采面圍巖完整性進(jìn)行驗(yàn)證，采用鉆孔窺視對(duì)注漿前、后的頂板巖層情況進(jìn)行窺視，具體對(duì)比結(jié)果見圖6?？梢钥闯?，采用凱密安單液漿注漿后，漿液在斷層破碎帶圍巖中擴(kuò)展、固結(jié)效果明顯，可有效充填破碎巖層裂隙，起到固結(jié)作用，提升了煤巖體穩(wěn)定性。

采面在推進(jìn)過(guò)斷層期間，未出現(xiàn)明顯的頂板冒落、煤壁片幫問(wèn)題。

圖6 注漿前、后頂板巖層窺視對(duì)比結(jié)果

5 總結(jié)

1) 注漿選用的凱密安加固材料加固性能與有機(jī)高分子材料類似，但沒有有機(jī)高分子材料價(jià)格昂貴、污染環(huán)境等缺陷。在正旺煤礦11103綜放工作面過(guò)斷層時(shí)采用該新型無(wú)機(jī)注漿加固材料提前對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行注漿加固，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圍巖控制效果。

2) 注漿時(shí)應(yīng)根據(jù)注漿地面實(shí)際情況合理選擇注漿實(shí)際，根據(jù)11103綜采工作面實(shí)際情況，深孔注漿實(shí)際為采面與斷層相距50 m范圍時(shí)，此時(shí)注漿煤層可注性較好，同時(shí)又可降低采面生產(chǎn)對(duì)注漿加固區(qū)的影響。

3) 在11103綜放工作面采用瓦斯抽放孔作為注漿鉆孔，即可降低注漿鉆孔施工工程量，又可避免后續(xù)鉆孔鉆進(jìn)對(duì)煤體損傷，實(shí)現(xiàn)了一孔多用的目的。