綜采工作面過地質(zhì)構(gòu)造異常帶注漿加固技術(shù)

張 紅

（山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033207）

1 工程概況

趙莊二號2309 綜放工作面位于二盤區(qū)，是該盤區(qū)首個圈成工作面，該工作面主采3 號煤層，走向長度為1 500 m，傾向長度為160 m，工作面回采區(qū)域平均煤厚度為4.3 m。采煤工藝為綜采放頂煤。工作面受地質(zhì)構(gòu)造影響，地質(zhì)條件復(fù)雜，煤巖層結(jié)構(gòu)遭到破壞，裂隙大量發(fā)育，煤巖體物理強度較低，二盤區(qū)2309 綜放工作面平面布置情況如圖1 所示。

圖1 二盤區(qū)首采面平面布置圖

2 加固區(qū)布置

為探明工作面回采范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，在工作面掘進過程中采用物探以及鉆探的手段對地質(zhì)異常帶進行了探查，并對異常區(qū)域進行注漿加固，保證工作面的安全生產(chǎn)。工作面回采范圍內(nèi)共發(fā)育4 條斷層和4 個陷落柱。由于地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)域煤巖體結(jié)構(gòu)會遭到破壞，為避免工作面在地質(zhì)構(gòu)造異常范圍回采時出現(xiàn)安全事故，結(jié)合物探成果，需要對不同的地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)進行注漿加固，同時為保證能夠達(dá)到最佳的加固效果，對不同的地質(zhì)異常構(gòu)造區(qū)設(shè)計不同的注漿加固方案[1-2]。由工作面回采方向依次為1 號加固區(qū)，對JDF69 斷層影響回采區(qū)域進行注漿加固；2 號加固區(qū)，對JDF70 斷層影響回采區(qū)域進行注漿加固；3 號加固區(qū)，對F119 斷層影響回采區(qū)域進行注漿加固；4 號加固區(qū)，對JDX16 陷落柱影響回采區(qū)域進行注漿加固；5 號加固區(qū)，對X40、X41、X42 3 個陷落柱及F116 斷層影響回采區(qū)域進行注漿加固。地質(zhì)構(gòu)造異常加固區(qū)分布如圖2 所示。

圖2 地質(zhì)構(gòu)造異常加固區(qū)分布圖

3 加固區(qū)注漿方案

根據(jù)趙莊二號井生產(chǎn)接替方案，結(jié)合1-5 號加固區(qū)對工作面回采的影響程度，最終確定只保留4號以及5 號加固區(qū)，加固區(qū)域共計100 m 范圍。4、5號加固區(qū)使用的注漿加固工藝均為深孔注漿結(jié)合淺孔注漿[3-6]，選用聯(lián)邦加固Ⅱ型（單液）做為本次注漿加固的注漿材料。

3.1 4 號區(qū)加固設(shè)計

2309 綜放工作面4 號加固區(qū)位于切眼向外813～893 m 范圍，走向長度為80 m，傾向長度為160 m，注漿加固面積為12 800 m2，該加固區(qū)針對JDX16 陷落柱影響范圍進行注漿加固，該區(qū)域鉆探成果表明煤巖體破碎情況較為嚴(yán)重，為保證加固效果，分別在工作面兩側(cè)巷道布置對穿鉆孔，保證對該區(qū)域充分加固。圖3 為4 號加固區(qū)注漿加固鉆孔布置平面圖。

圖3 4 號加固區(qū)注漿加固鉆孔布置平面圖

1）注漿淺孔設(shè)計。考慮到本次注漿加固選用注漿材料具有高流動性，大擴散范圍的特點，決定采用先淺孔注漿后深孔注漿的加固方案。首先在工作面兩側(cè)巷道分別向4 號加固區(qū)布置注漿淺孔，每側(cè)巷道布置兩排注漿淺孔，孔徑42 mm，孔深30 m，上排鉆孔距巷道底板距離為2 m，下排鉆孔位于上排鉆孔以下1 m，距巷道底板1 m，鉆孔間距2 m，垂直于巷幫向工作面內(nèi)部鉆進，每側(cè)巷道各布置注漿淺孔82 個，共計164 個。圖4 為注漿淺孔布置示意圖。

圖4 4 號加固區(qū)注漿淺孔布置示意圖

2）注漿深孔設(shè)計。4 號加固區(qū)注漿深孔分兩排交錯布置，其中23091 巷內(nèi)注漿深孔上排距底板1.5 m，鉆孔間距為10 m，下排注漿深孔距底板0.8 m，鉆孔間距同樣為10 m，孔徑75 mm，孔深60 m，以仰角1.5°向工作面內(nèi)部鉆進。23091 巷注漿深孔布置數(shù)量為17 個。圖5 為23091 巷注漿深孔布置示意圖。

圖5 4 號加固區(qū)23091 巷注漿深孔布置示意圖

23092 巷注漿深孔同樣分2 排布置，上排注漿深孔距底板2 m，下排注漿深孔距底板1 m，鉆孔間距為10 m，上下排鉆孔交錯布置，孔徑75 mm，孔深50 m，以仰角2°向工作面內(nèi)部鉆進。23091 巷注漿深孔布置數(shù)量同樣為17 個。23092 巷注漿深孔布置見圖6。

圖6 4 號加固區(qū)23092 巷注漿深孔布置示意圖

3.2 5 號區(qū)加固設(shè)計

由于5 號區(qū)域內(nèi)發(fā)育3 個陷落柱和1 條斷層，影響范圍過大，加上鉆探結(jié)果表明該區(qū)域煤體結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，破碎程度大，力學(xué)及復(fù)雜，為避免出現(xiàn)安全事故，決定避開該區(qū)域施工二切眼。為確保工作面安全撤架，在5 號加固區(qū)向一切眼方向20 m 范圍進行注漿加固。圖7 為5 號加固鉆孔布置平面圖。5 號加固區(qū)注漿淺孔與注漿深孔布置參數(shù)同4 號加固區(qū)。注漿加固區(qū)域走向長度為20 m，因此，5 號加固區(qū)注漿淺孔布置數(shù)量為每側(cè)巷道22 個，共計44個，注漿深孔布置數(shù)量為每側(cè)5 個，共計10 個。

圖7 5 號加固區(qū)注漿加固鉆孔布置平面圖

4 施工工藝及設(shè)備

4.1 鉆孔施工工藝

由于加固區(qū)域?qū)儆诘刭|(zhì)構(gòu)造異常帶，煤炭體結(jié)構(gòu)受損較為嚴(yán)重，容易出現(xiàn)塌孔、壓鉆等情況。因此決定采用分段式成孔法進行鉆孔施工，分段式成孔法是指在鉆進過程中煤巖體較為破碎出現(xiàn)卡鉆壓鉆現(xiàn)象時，立即退鉆，使用法蘭盤對鉆孔進行不插管注漿，采用速凝漿液快速加固鉆孔，然后下入套管，使鉆孔分段成型。具體施鉆流程如下：

1）以鉆孔設(shè)計參數(shù)調(diào)整鉆機位置、角度，使用φ135 mm 鉆頭以設(shè)計參數(shù)鉆進6 m 后退鉆，然后下入孔口套管對其注漿進行固定。

2）孔口套管固定后，換φ75 mm 鉆頭繼續(xù)鉆進至孔深30 m 處退鉆，然后繼續(xù)使用速凝漿液對鉆孔進行注漿加固，完成加固后繼續(xù)鉆進至60 m 成孔后退鉆注漿。

3）鉆孔打設(shè)完成后，在孔內(nèi)插入32 mm 直徑的PE 管作為注漿管，PE 材質(zhì)具有較好的強度，能夠在一定程度上起到支撐孔壁的作用。在孔口安裝φ108 mm 套管2 根，每根長2 m，共計長度為4 m，以φ108 mm 接箍進行連接，孔口法蘭使用耐壓型高強度法蘭，保證承壓能力不低于15 MPa。

4.2 鉆機及注漿設(shè)備選型

趙莊二號井自有的ZDY800 型礦用坑道全液壓鉆機能夠滿足本次注漿加固鉆孔的施工需求，該鉆機配備φ75 mm 鉆頭2 個，φ50 mm 鉆桿100 根。注漿設(shè)備選用型號為2ZBQ40/11 的氣動式注漿泵做為淺孔注漿設(shè)備，選用型號為ZBYSB100/20 的雙液壓式注漿泵做為深孔注漿設(shè)備，功率為18.5 kW，同時準(zhǔn)備氣動式漿液攪拌桶。

4.3 注漿材料及漿液配比

本次注漿加固材料選擇以聯(lián)邦加固Ⅱ型（單液）為主要注漿材料，當(dāng)鉆孔出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿情況時，可與聯(lián)邦加固Ⅱ型（雙液）進行交替使用以保證注漿效果。聯(lián)邦加固Ⅱ型漿液主要成分為無機組分，聯(lián)邦加固Ⅱ雙液型在混合后10 min 可達(dá)到初凝效果，1 h凝固效能夠達(dá)到8 MPa 承壓強度，1 d 后承壓強度達(dá)到15 MPa。聯(lián)邦加固Ⅱ單液型具有高流動性、高擴散性，凝結(jié)效果好，凝結(jié)強度高等優(yōu)點，24 h 凝固強度能夠達(dá)到25 MPa，3 d 凝固強度可達(dá)到35 MPa 以上。

聯(lián)邦加固Ⅱ型（單液）做為主要注漿材料，水料配比為1∶0.6，為解決漏漿問題，聯(lián)邦加固Ⅱ型（雙液）水料配比為1∶0.8 。注漿效果的優(yōu)劣除注漿材料外，合適的注漿壓力也很重要。因此，根據(jù)以往的注漿經(jīng)驗，設(shè)計淺孔注漿壓力為4～8 MPa，深孔注漿壓力為12～15 MPa。

4.4 加固效果觀測及分析

在注漿加固完成后，2309 綜放工作面回采順利通過4 號加固區(qū)，在過加固區(qū)過程中，工作面圍巖穩(wěn)定性較大，僅個別支架處出現(xiàn)掉矸現(xiàn)象，工作面在過加固區(qū)回采速度達(dá)到了2.6 m/d，達(dá)到了正常回采速度的86 %，每循環(huán)推進結(jié)束后，支架阻力基本在2 250～2 350 kN 左右，注漿加固效果顯著。在工作面通過4 號加固區(qū)域邊緣位置時，工作面并未出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)默F(xiàn)象，頂板完整性較高，經(jīng)礦壓觀測，4 號加固區(qū)兩幫圍巖變形量在53～64 mm 之間，頂板下沉量在76～97 mm 之間，證明本次加固區(qū)的注漿效果達(dá)到目標(biāo)。

5 結(jié) 語

為保證復(fù)雜地質(zhì)條件工作面能夠安全順利回采，趙莊二號井結(jié)合物探及鉆探手段對工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造異常帶進行了探明，通過構(gòu)造異常帶對工作面的影響進行分區(qū)域注漿加固，根據(jù)工作面實際地質(zhì)情況，對加固區(qū)注漿加固參數(shù)進行了科學(xué)合理的分析總結(jié)，注漿加固效果滿足了工作面的安全回采，并且回采速度也得到保證，類似地質(zhì)條件工作面的安全回采提供理論和經(jīng)驗基礎(chǔ)。