注漿加固技術(shù)在綜采工作面過斷層時(shí)的應(yīng)用

張 勇

（同煤集團(tuán)忻州窯礦，山西 大同 037000）

煤礦井下采煤工作面在回采過程中經(jīng)常會遭遇斷層等地質(zhì)構(gòu)造情況。斷層構(gòu)造帶的形成改變其影響范圍內(nèi)的煤巖層結(jié)構(gòu)狀態(tài)，煤巖體擠壓破碎，煤巖體承載能力下降，造成工作面過斷層回采期間煤層頂板破碎、煤壁片幫、頂板冒落等現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，給工作面正常推進(jìn)及安全回采帶來極大影響。隨著煤礦裝備技術(shù)水平的不斷提升，綜采工作面裝備不斷向大功率、大采高方面發(fā)展[1]，其重量也隨之不斷增加，當(dāng)工作面回采至斷層構(gòu)造帶影響范圍區(qū)域時(shí)，因受斷層影響，其周圍的煤巖體承載能力大幅度下降，極易造成工作面支架出現(xiàn)下陷現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工作面正?；夭蒣2]。本文以常村煤礦8110 工作面回采期間過DF12斷層為例，提出超前預(yù)注漿加固技術(shù)方案，措施實(shí)施后，煤巖體穩(wěn)定性和承載能力得到了明顯提高，工作面實(shí)現(xiàn)了安全順利過斷層回采。

1 工程概況

常村煤礦8110 工作面主采8#煤層，煤層厚度7.5 m，傾角5°～8°，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，煤層內(nèi)含夾矸層，主要巖性為炭質(zhì)泥巖和高嶺石。工作面沿煤層走向布置，工作面走向長1 900 m，傾斜長180 m，工作面回采工藝為綜采放頂煤開采工藝。工作面沿走向回采935 m 時(shí)在工作面中下部區(qū)域范圍內(nèi)揭露DF12斷層，斷層產(chǎn)狀為105°∠59°，落差H=6.1 m，斷層影響區(qū)域走向長400 m，傾斜寬30～50 m。受斷層構(gòu)造帶破壞影響，在斷層影響范圍內(nèi)的煤層頂板及煤壁煤巖層松軟破碎片幫，煤層底板松軟出現(xiàn)下陷現(xiàn)象，下陷深度在0.6～3.5 m，給工作面正常生產(chǎn)帶來較大安全隱患，制約著工作面安全高效回采。為解決上述問題，采取對工作面煤體進(jìn)行超前注漿加固措施。

2 注漿加固方案設(shè)計(jì)

2.1 注漿加固方案

綜合分析8110 工作面地質(zhì)條件及井下開采現(xiàn)場實(shí)際狀況，決定在工作面運(yùn)輸巷施工注漿鉆孔，對工作面前方950～1 365 m 之間出現(xiàn)底板下陷范圍內(nèi)的煤層進(jìn)行注漿加固。在工作面回采前方950～1 220 m 范圍內(nèi)，工作面煤層下陷到底板內(nèi)0.6～1.4 m，煤體較為松軟，注漿鉆孔間距設(shè)計(jì)為3 m、鉆孔深度為30～50 m；在工作面前方1 220～1 365 m 范圍內(nèi)煤層下陷到底板內(nèi)1.4～3.5 m，煤體松軟破碎，注漿孔布置間距設(shè)計(jì)為3 m，鉆孔深度為25～30 m。鉆孔施工的角度根據(jù)工作面底煤厚度變化情況進(jìn)行調(diào)整，保證對工作面整個(gè)底煤區(qū)域全部覆蓋。

鉆孔開孔位置距巷道底板高度為1 m。根據(jù)工作面煤層下陷進(jìn)入底板深度計(jì)算鉆孔施工傾角為4°～12°，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，為了便于施工，統(tǒng)一將鉆孔施工角度調(diào)整為8°。工作面注漿鉆孔布置見圖1。

圖1 工作面注漿鉆孔布置

2.2 注漿材料選擇

用于提升工作面松軟破碎煤巖體的整體穩(wěn)固性和自身承載能力的注漿加固材料主要有兩種類型，分別為有機(jī)類化學(xué)漿液和無機(jī)類水泥漿液[3]。其中，化學(xué)類漿液一般為高分子有機(jī)材料，主要用于對煤巖體產(chǎn)生的較小裂隙進(jìn)行填充封堵，水泥漿液一般用于對煤巖體產(chǎn)生較大的裂隙進(jìn)行充填封堵。根據(jù)工作面煤巖體變化情況，對工作面煤巖體進(jìn)行注漿時(shí)先使用P·O42.5 硅酸鹽水泥配制的水泥漿液對煤巖體進(jìn)行加固。如果加固后工作面仍然出現(xiàn)煤壁松軟片幫或頂部煤巖冒落等煤巖體不穩(wěn)定現(xiàn)象，說明注漿后煤巖體承載能力不能滿足要求，此時(shí)則選擇使用改性脲醛樹脂配制的化學(xué)漿液進(jìn)行注漿加固。

因斷層構(gòu)造影響范圍內(nèi)的煤體松軟，注漿難度比較大，在對該段區(qū)域內(nèi)的煤體進(jìn)行注漿施工過程中需要注意適當(dāng)調(diào)整水泥漿液的配制濃度和化學(xué)漿液A、B料的配比，確保漿液能夠有效進(jìn)入煤體裂隙內(nèi)。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果，水泥漿液的水灰比為0.8，化學(xué)漿液A、B漿料的配比按照3:1 調(diào)配時(shí)能夠有效提升煤巖體的整體注漿效果[4]。

2.3 封孔工藝

在注漿鉆孔施工結(jié)束后開始進(jìn)行注漿，初期采用止?jié){塞對注漿孔進(jìn)行封堵，但由于注漿壓力較大，止?jié){塞封堵不嚴(yán)，效果不好，造成注漿時(shí)部分漿液會從注漿孔口溢出。經(jīng)過多次優(yōu)化改良和試驗(yàn)，最后選擇使用孔口麻絲封孔裝置對注漿孔進(jìn)行封孔，見圖2。

圖2 工作面注漿鉆孔封孔結(jié)構(gòu)

該封孔裝置采用一根3 m 長和一根6 m 長，直徑為30 mm 的無縫鋼管設(shè)計(jì)而成，鋼管布置在注漿孔孔口位置；其中，通過3 m 長的鋼管用馬麗散來對注漿孔口實(shí)現(xiàn)封堵，在鋼管孔口兩端塞填麻絲，從而減少注漿時(shí)漿液的滲漏量；通過6 m 長的鋼管對注漿孔進(jìn)行注漿加固。

2.4 漿液在煤體中的有效擴(kuò)散半徑確定

漿液注入煤體后，其有效擴(kuò)散半徑與選取的注漿材料、調(diào)配的漿液濃度及配比比例、注漿時(shí)間和注漿施工工藝等有關(guān)。注漿時(shí)，漿液一般先沿著煤巖體裂隙發(fā)育方向進(jìn)行延伸擴(kuò)展，漿液擴(kuò)散范圍不均勻。依據(jù)礦井以往在煤層中注漿的經(jīng)驗(yàn)情況，本次對工作面注漿確定漿液在煤體中的有效擴(kuò)展半徑為1.5 m。

2.5 注漿壓力選擇

在煤體注漿時(shí)，如果注漿壓力選取過高將會對煤體產(chǎn)生較大沖擊力，導(dǎo)致在煤體內(nèi)形成新的裂隙，不利于提高煤體的整體強(qiáng)度[6]；若注漿時(shí)壓力過低則會降低漿液的擴(kuò)散性，造成注漿出現(xiàn)盲區(qū)，達(dá)不到注漿預(yù)期效果。通常情況下，注漿時(shí)最大注漿壓力是井下施工地點(diǎn)安裝的進(jìn)水管靜壓水壓力的2～3 倍[5]。在8110 工作面運(yùn)輸巷內(nèi)施工注漿鉆孔位置的進(jìn)水管靜壓水壓力為4 MPa。因此，在注漿孔注漿時(shí)注漿壓力值應(yīng)為8～12 MPa，結(jié)合現(xiàn)場注漿施工的實(shí)際情況，最終確定8110 工作面注漿時(shí)最大壓力值為12 MPa。

2.6 煤體注漿量確定

因工作面不同地點(diǎn)的煤巖性質(zhì)存在有差異性，因此不同地點(diǎn)的注漿孔注漿量也會存在一定的差異。通常情況下注漿時(shí)將注漿壓力調(diào)至最大值時(shí)注漿孔內(nèi)的漿液保證不會向煤體外繼續(xù)擴(kuò)散，此時(shí)持續(xù)供壓達(dá)到30 min后可以停止注漿。注漿孔注漿量（Q）可以運(yùn)用以下公式進(jìn)行計(jì)算[6]：

式中：N 為注漿孔施工的數(shù)量，個(gè)；A 為注漿時(shí)消耗的漿液系數(shù)；R 為漿液在煤體中的有效擴(kuò)散半徑，m；H 為鉆孔深度，m；β 為注漿時(shí)漿液在煤體中的充填系數(shù)；η 為注漿施工位置煤巖層孔隙率，%；l 為注漿漿液結(jié)石率。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，取N=140；A=1.1～1.3，取1.2；R=1.5；H=25～50；β=0.7～0.8，取0.7；η=0.8%；l=0.9，當(dāng)H=25 m 時(shí)，將上述參數(shù)代入公式（1）中計(jì)算得出最小注漿量Q=185 m3，當(dāng)H=50 m 時(shí)，將上述參數(shù)代入公式（1）中計(jì)算得出最大注漿量Q=369 m3。

3 應(yīng)用效果分析

采用2 臺LSY-110 型注漿泵，利用有機(jī)類化學(xué)漿液和無機(jī)類水泥漿液相結(jié)合的注漿材料對煤體進(jìn)行注漿，用于提高工作面過斷層期間破碎煤巖體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。共計(jì)用時(shí)75 天完成8110 工作面140 個(gè)注漿鉆孔的施工和注漿工作，注入的漿液中水泥漿液最大單孔注入量為2.8 m3，化學(xué)漿液最大單孔注入量為3.5 t，工作面注漿孔共計(jì)注入水泥漿液133 m3，注入化學(xué)漿液118 t。工作面煤體中實(shí)際注入的漿液量比理論計(jì)算的注漿量相差較大。

采取超前注漿措施以后，工作面安全順利通過了斷層影響區(qū)域，回采過程中液壓支架和刮板輸送機(jī)未再出現(xiàn)陷入煤層底板現(xiàn)象，工作面煤壁和頂板未出現(xiàn)大面積片幫及冒落現(xiàn)象，表明工作面煤體經(jīng)過注漿固化后整體承載能力和穩(wěn)定性得到了極大增強(qiáng)。對注漿后的煤體取樣得到的效果見圖3，從圖中可以看出，煤體中存在的裂隙被漿液全部充填。

圖3 工作面煤體注漿后效果

4 結(jié)論

1）依據(jù)以往工作面注漿經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)采用工程類比法對工作面煤體注漿方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，注漿鉆孔設(shè)計(jì)按照水平間距3 m，鉆孔深度25～50 m 進(jìn)行布置，注漿壓力值最大控制在12 MPa。

2）注漿過程中選用水泥漿液和有機(jī)化學(xué)漿液相互交叉配合的方式可以有效發(fā)揮漿液充填煤體裂隙的作用，煤體中存在的裂隙被漿液全部充填，煤體的整體性和強(qiáng)度得到提升，提高了固化煤體的效果。

3）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明破碎松軟煤體經(jīng)過注漿后整體強(qiáng)度得到明顯提升，承載能力也得到極大增強(qiáng)，工作面回采過程中未出現(xiàn)設(shè)備下陷和頂板事故問題，實(shí)現(xiàn)安全順利過斷層構(gòu)造帶，為今后礦井過類似斷層構(gòu)造帶提供了一定的參考價(jià)值。