大采高工作面安全過(guò)斷層預(yù)注漿加固技術(shù)

王強(qiáng)強(qiáng)

（山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000）

煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，開(kāi)采過(guò)程中會(huì)遇到工作面過(guò)斷層等工程問(wèn)題。當(dāng)工作面推進(jìn)過(guò)程中遭遇斷層或陷落柱等構(gòu)造時(shí)，煤壁及頂板極不穩(wěn)定，容易引發(fā)片幫、冒頂事故，影響安全生產(chǎn)[1-2]。目前在解決此類(lèi)問(wèn)題時(shí)，多采用化學(xué)漿液對(duì)其進(jìn)行加固?；瘜W(xué)漿雖性能優(yōu)異，但其有毒，有腐蝕性，價(jià)格貴，且含有氯、磷元素等，對(duì)煤炭利用產(chǎn)生不良影響，只能當(dāng)作應(yīng)急材料，不宜大量推廣使用[3]。而無(wú)機(jī)材料雖在性能上低于化學(xué)漿，但其低成本、環(huán)保等突出優(yōu)勢(shì)得到礦區(qū)大范圍注漿的廣泛使用[4]。本文針對(duì)晉煤集團(tuán)趙莊礦5312 大采高工作面在推進(jìn)過(guò)程中遇到斷層問(wèn)題，利用鉆探孔精確掌握斷層分布位置，設(shè)計(jì)注漿鉆孔布置方案[5]，同時(shí)利用研發(fā)的高性能無(wú)機(jī)注漿材料對(duì)斷層區(qū)域進(jìn)行超前注漿加固，為解決工作面過(guò)斷層問(wèn)題提供了有效方法，同時(shí)也為相似工程提供借鑒。

1 工程背景

5312 綜采大采高工作面位于趙莊礦五盤(pán)區(qū)，開(kāi)采3 號(hào)煤層，工作面走向1623 m，傾向294 m，煤層平均厚度4.8 m，平均傾角3°，為一次采全高工作面。工作面共布置三條順槽，其中53121 巷為工作面運(yùn)煤巷、進(jìn)風(fēng)巷，53122 巷為工作面回風(fēng)巷、輔運(yùn)巷，53123 巷（原5311 工作面53112 巷）為工作面進(jìn)風(fēng)、輔運(yùn)巷。

在工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程中揭露正斷層F490，斷層傾角約60°，落差0～10 m。由于斷層落差較大，將影響工作面安全回采。為全面掌握斷層分布、影響范圍，對(duì)工作面地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行槽波探測(cè)后，對(duì)斷層區(qū)域施工了鉆探孔，為工程施工設(shè)計(jì)提供依據(jù)。斷層分布和探孔布置如圖1 所示。其中，斷層影響范圍為工作面推進(jìn)280～480 m，采用工作面硬推過(guò)斷層方法。

圖1 工作面布置及斷層分布圖

2 斷層位置及鉆孔設(shè)計(jì)

為使?jié){液能夠起到固結(jié)破碎煤巖體的作用，在注漿前必須保證鉆孔終孔位置進(jìn)入需要加固的層位，這樣漿液才能起到加固效果。即在注漿鉆孔設(shè)計(jì)前，應(yīng)先掌握斷層上下盤(pán)煤巖體之間分布，之后據(jù)此調(diào)整工作面綜采設(shè)備的機(jī)采高度等參數(shù)。同時(shí)，為保證注漿效果，根據(jù)探孔結(jié)果先對(duì)4 個(gè)鉆探孔位置進(jìn)行注漿鉆孔設(shè)計(jì)，再依次對(duì)所有鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用打設(shè)的鉆探孔來(lái)判斷斷層揭露情況，選取1#探孔、2#探孔、補(bǔ)2#探孔、5#探孔共4 個(gè)具有代表性的探孔進(jìn)行分析。

2.1 機(jī)采高度范圍設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆探孔分析結(jié)果，機(jī)采時(shí)支架上抬角度應(yīng)盡量大，但上抬角度不宜超過(guò)10°，避免支架傾倒引發(fā)事故；當(dāng)機(jī)尾距斷層面距離在6 m 左右時(shí)，即可上抬進(jìn)入下盤(pán)煤。部分探孔鉆孔布置示意圖如圖2 所示。

圖2 部分探孔鉆孔布置示意圖

2.2 注漿鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)斷層在工作面的分布情況，確定本次注漿實(shí)施范圍為回采進(jìn)度的280～480 m，以關(guān)鍵探孔參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行其余鉆孔設(shè)計(jì)，來(lái)適應(yīng)斷層分布的空間差異性，保證注漿加固效果。

為不影響工作面正?；夭桑x擇在53121 巷的巷幫布置鉆孔。為提高注漿效果、節(jié)約鉆孔施工量，鉆孔設(shè)計(jì)為上、下兩排，呈“三花”布置。上排孔孔高2.0 m，為加固斷層影響區(qū)域頂板破碎煤巖體，上排鉆孔終孔位置應(yīng)位于頂板上方1.0 m 范圍內(nèi)。下排孔孔高1.1 m，為保證漿液擴(kuò)散在破碎煤體中，鉆孔終孔位置保證在機(jī)采高度范圍內(nèi)，其深度應(yīng)進(jìn)入下盤(pán)煤10 m 左右。上、下兩排鉆孔間距10 m，孔徑均為75 mm，孔深45～75 m。以1#探孔斷層分布為例，如圖2 所示。鉆孔設(shè)計(jì)平面圖如圖3 所示。

圖3 注漿鉆孔布置平面圖

3 注漿材料及注漿時(shí)機(jī)選擇

3.1 注漿材料選擇

由于在注漿過(guò)程中是對(duì)工作面斷層區(qū)域進(jìn)行預(yù)注漿，因此對(duì)注漿材料的性能有較高要求。對(duì)于深孔預(yù)注漿工程，由于鉆孔深度大，漿液需具備良好的流動(dòng)性才能到達(dá)注漿加固區(qū)域，同時(shí)還應(yīng)保證漿液在輸送、流動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生泌水等漿液性能折扣現(xiàn)象。同時(shí)，超前注漿區(qū)域多位于塑性區(qū)，該區(qū)域圍巖裂隙發(fā)育不完全，存在微小裂隙，因此，為保證漿液起到加固大多小裂隙的效果，注漿材料應(yīng)為超細(xì)顆粒漿液，配合注漿高壓力的作用，深入微小裂隙。本次預(yù)注漿施工在大采高工作面，推進(jìn)速度快，因此，漿液在固化后應(yīng)具備早強(qiáng)特性，在工作面推進(jìn)至斷層區(qū)域時(shí)，固結(jié)后的煤巖體具備較高的強(qiáng)度，防止片幫冒頂事故發(fā)生。

針對(duì)以上分析，本次注漿加固采用晉煤集團(tuán)研發(fā)的聯(lián)邦加固高性能注漿材料。該注漿材料為單液超細(xì)水泥，材料細(xì)度達(dá)1250 目，在使用時(shí)按照水灰比0.6:1 加水?dāng)嚢瑁? h 內(nèi)不發(fā)生泌水現(xiàn)象，仍具備良好流動(dòng)性，在2～3 h 內(nèi)漿液逐漸稠化直至完全失去流動(dòng)性，約10 h 完全固化，其固結(jié)體1 d 抗壓強(qiáng)度16 MPa，3 d 抗壓強(qiáng)度26 MPa，7 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)32 MPa。該材料失流、硬化和固結(jié)體強(qiáng)度參數(shù)等性能能夠很好地滿(mǎn)足深孔預(yù)注漿需求。

由于圍巖淺層區(qū)域比較破碎，在注漿過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)漏漿情況，而上述單液材料失流時(shí)間較長(zhǎng)，不能很好地進(jìn)行堵漏，同時(shí)也會(huì)造成鉆孔深部注漿量過(guò)小，折扣注漿效果。為此專(zhuān)門(mén)研發(fā)一種雙液注漿材料，該材料由兩種無(wú)機(jī)礦粉組成，在水灰比1:1的條件下混合后，能夠在2～5 min 左右失去流動(dòng)性，20 min 后即可硬化，2 h 強(qiáng)度可達(dá)8 MPa。在注漿過(guò)程中，可先對(duì)圍巖破碎區(qū)域使用雙液材料進(jìn)行注漿，提前形成淺部止?jié){層，為深部注漿提供密閉空間，提高深部注漿量，優(yōu)化注漿效果。

3.2 合理注漿時(shí)機(jī)選擇

由于工作面超前支承壓力的存在，煤壁前方不同區(qū)域煤巖體破碎程度不同。現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)在工作面0～20 m 左右的超前支承壓力上升區(qū)圍巖裂隙發(fā)育程度高，可注漿量大，但由于距離工作面過(guò)近，裂隙貫通條件下的煤壁容易出現(xiàn)漏漿情況。在工作面前方55 m 左右以外的范圍內(nèi)，圍巖不受超前支承壓力影響，裂隙不發(fā)育，可注性較差。而工作面前方20～55 m 的超前支承壓力下降區(qū)域，圍巖受支承壓力影響，出現(xiàn)一定張開(kāi)度的裂隙，在此時(shí)進(jìn)行注漿，注漿壓力適中，可適當(dāng)提高注漿量也可避免漏漿現(xiàn)象，同時(shí)也可為注漿材料提供充分的強(qiáng)度增長(zhǎng)時(shí)間。

因此確定合理注漿時(shí)機(jī)在工作面前方25～45 m處，隨著超前支承壓力影響范圍的前移形成移動(dòng)注漿。

3.3 注漿參數(shù)

對(duì)于深部注漿，應(yīng)達(dá)到劈裂微小裂隙的注漿效果，注漿壓力應(yīng)在25～30 MPa 之間。在注漿堵漏時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減少注漿壓力至3～8 MPa，堵漏完成后開(kāi)始增加注漿壓力。

4 注漿效果考察

為檢驗(yàn)注漿效果，在工作面過(guò)斷層期間進(jìn)行推進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)，根據(jù)結(jié)果將工作面推進(jìn)階段分為五個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析。注漿前后推進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)如圖4 所示。

5312 工作面正常回采推進(jìn)速度為3 m/d，隨著工作面進(jìn)入影響區(qū)域，工作面平均回采速度逐漸下降至1.36 m/d；當(dāng)工作面機(jī)尾開(kāi)始揭矸時(shí)，平均回采速度下降至1.18 m/d；在工作面大部分揭露斷層時(shí)，工作面共發(fā)生3 次片幫、冒頂現(xiàn)象，由于消耗部分時(shí)間處理冒頂，工作面平均回采速度降至0.88 m/d。

進(jìn)入注漿區(qū)域后，工作面未發(fā)生冒頂，最大片幫深度0.5 m，連續(xù)架次不超過(guò)3 架，回采順利，平均推進(jìn)速度提升至1.35 m/d，工作面日產(chǎn)提升了53.4%；工作面揭露斷層結(jié)束后，推進(jìn)速度達(dá)到正常的回采速度。

圖4 注漿前后推進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

（1）利用鉆探孔判斷工作面斷層的分布情況，預(yù)測(cè)了下盤(pán)煤位置，確定了采高范圍，并以此設(shè)計(jì)了具體的注漿鉆孔參數(shù)。

（2）根據(jù)深孔注漿和淺層堵漏需要，研發(fā)了高性能單液注漿材料和雙液堵漏材料，優(yōu)化注漿加固效果。分析確定了工作面前方25～45 m 為工作面過(guò)斷層期間的合理注漿時(shí)機(jī)，隨著工作面的推進(jìn)形成“移動(dòng)注漿”。

（4）經(jīng)過(guò)對(duì)斷層區(qū)域超前深孔注漿加固，有效減少了工作面的片幫、冒頂事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了工作面安全、快速過(guò)斷層。