急傾斜綜采工作面斷層注漿加固方案探討

周強(qiáng) 唐良果 張孟軍 黃建 劉建 周忠國

（四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司綠水洞煤礦，四川華鎣 638600）

0.引言

四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司綠水洞煤礦位于華鎣山復(fù)式背斜中段，礦區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，且構(gòu)造復(fù)雜，回采巷道掘進(jìn)過程中多揭露出落差不齊、產(chǎn)狀不同的斷層，受斷層影響，煤層頂?shù)装宀黄秸瑖鷰r破碎，頂板管理難度大。傳統(tǒng)采取硬推過斷層的方式推進(jìn)度慢、產(chǎn)量低，對安全生產(chǎn)也造成極大的威脅；邁過斷層重新開切的方式造成煤炭資源、時間、人力、物力、財力的極大浪費(fèi)。為此，對急傾斜綜采工作面斷層注漿加固，尋求過斷層的新方法成為礦井急需解決的問題[1-5]。

1.急傾斜煤層綜采工作面過斷層帶超前煤壁人工作假頂?shù)姆绞?/h2>

綠水洞煤礦急傾斜煤層綜采工作面斷層帶影響范圍（斷層落差大、頂板破碎、煤壁松軟）由上向下對煤壁進(jìn)行爆破，然后采用單體支柱、錨索配合11號工字鋼對頂板進(jìn)行支護(hù)，每一輪爆破擴(kuò)刷走向長度為2m。工作面斷層帶影響范圍假頂做好之后再進(jìn)行切割拉架，如此循環(huán)直至過完斷層。

傳統(tǒng)采取人工超前煤壁作假頂?shù)姆绞接餐七^斷層，由于斷層應(yīng)力重新分布影響，工作面煤壁片幫嚴(yán)重，割頂?shù)装鍘r石較厚，對設(shè)備損傷較大，頂?shù)装宀黄秸Ъ軣o法接頂，出現(xiàn)支架咬架、背架、壓架現(xiàn)象，導(dǎo)致調(diào)架困難，加之煤層傾角較大，頂板垮落的矸石易飛矸傷人，此方法不符合礦井安全、高效發(fā)展的要求。

2.急傾斜綜采工作面過斷層注漿加固方案設(shè)計(jì)

2.1 工作面及斷層基本情況

綠水洞煤礦3223綜采工作面及已揭露的F322302斷層基本情況：3223工作面位于礦井西翼322采區(qū)，設(shè)計(jì)走向長度1200m，平均斜長約110m，平均傾角55°，平均采高3.25m；3223機(jī)巷水平標(biāo)高+370m～+400m，平均385m；工作面圈定范圍北邊為已回采結(jié)束的3221工作面，上部為已回采結(jié)束的3222工作面，下部和南邊為礦井井田邊界。結(jié)合3223機(jī)巷揭露、穿層鉆孔及順層鉆孔資料分析，F(xiàn)322302斷層落差在0m～2.5m，隨著F322302斷層向3223工作面內(nèi)部延深，F(xiàn)322302斷層對3223工作面回采的影響逐步減弱。具體影響范圍在走向上機(jī)巷揭露點(diǎn)向石門方向約66m，實(shí)際影響較大約52m；傾向方向上影響范圍為機(jī)巷以上0m～27m，斷層處采高4.5m～5.2m，傾斜影響長度2.5m～13m。

2.2 注漿加固鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)F322302斷層對3223工作面回采影響范圍，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，為了減少鉆孔和注漿施工對回采工作的影響，對F322302斷層破碎帶注漿加固擬采取超前預(yù)注漿加固的方法進(jìn)行。

根據(jù)注漿實(shí)踐，結(jié)合斷層破碎帶的具體情況，注漿孔布置從3223工作面機(jī)巷3#探煤孔開始，至F322302斷層揭露點(diǎn)，總長度約61m。漿液擴(kuò)散半徑按照2m計(jì)算，采高4.5m～5.2m，在垂直底板方向漿液滲透范圍即加固范圍至少要達(dá)到6m以上，所以垂直煤層底板方向布置注漿孔兩個為宜，兩個注漿孔分別距煤層底板1.5m、4.5m，在垂直煤層底板方向上理論加固范圍為7m，即底板以下0.5m，頂板以上1.5m左右。在平行煤層底板方向，為了確保注漿區(qū)域的全覆蓋，一定要使相鄰注漿孔漿液互相滲透（重疊），因此平行煤層底板方向注漿孔排距設(shè)計(jì)為3m比較合適。注漿孔沿煤層鉆進(jìn)方位為119°，注漿孔傾角平行于煤層頂、底板，注漿孔深度至F322302斷層影響上邊界。共布置注漿孔21排，合計(jì)42個注漿孔。注漿孔布置平、剖面示意圖見圖1和圖2。

圖1 注漿孔布置平面圖

圖2 注漿孔布置剖面圖

注漿孔根據(jù)其深度分為兩類，深度大于10m的使用坑道鉆機(jī)施工，小于10m的使用錨索鉆機(jī)施工。由于施工機(jī)械的不同，因此鉆孔直徑有所不同。深孔的鉆孔直徑應(yīng)不超過Ф63mm為宜，淺孔直徑不超過Ф42mm為宜。注漿孔編號順序?yàn)椋号判蛱栕?號探煤孔開始為第1排、第2排、第3排……第21排；每排內(nèi)注漿孔編號為自下而上分別為1號孔、2號孔。具體參數(shù)見表1。

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.3 注漿加固材料選擇

設(shè)計(jì)選用HWJ-加固材料，其加固原理是通過注漿鉆孔高壓注入到破碎煤巖體的裂隙內(nèi)，在高壓作用下，漿液在被加固地層內(nèi)滲透、膨脹，隨即產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，生成一種對破碎煤巖體具有很強(qiáng)黏結(jié)性、充滿整個裂隙的固結(jié)體網(wǎng)絡(luò)骨架，從而對被加固地層起到補(bǔ)強(qiáng)加固和充填密實(shí)作用。

注漿管采用Ф26.8mm（俗稱6分管）焊管制作，壁厚為2.5mm，規(guī)格為1m/根，管兩端車成標(biāo)準(zhǔn)管螺紋；注漿花管與注漿管相同，只是桿體上每隔200mm均勻鉆出Ф6mm導(dǎo)流孔(梅花狀)，個別管終端扎呈稍扁狀，以增加注漿出口壓力。

注漿輔助材料主要包括注漿管、注漿花管、管箍、混合器、輸料管、快速接頭以及封孔材料等。

2.4 注漿加固施工工藝和方法

總的施工順序是：準(zhǔn)備→鉆孔→安裝注漿管→封孔→注漿→檢查注漿質(zhì)量→結(jié)束。注漿順序是先注下面孔，然后注上面孔。

注漿孔施工時，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)間、排距、方位和角度布置，間排距最大誤差控制在±150mm以內(nèi)，孔深誤差控制在0m～100mm。

在安裝注漿管的同時進(jìn)行封孔。封孔深度對于20m以上的深孔，封孔長度不小于2m；對于10m～20m的注漿孔，封孔長度不小于1.5m；對于10m以內(nèi)的注漿孔，封孔長度不小于1m。封孔采用棉紗與HWJ-加固材料或用高分子封孔材料進(jìn)行封孔。具體方法是，首先將棉紗纏繞在注漿管上，然后用HWJ-加固材料或高分子封孔材料浸透，最后快速插入注漿孔內(nèi)。待封孔材料凝固后即可進(jìn)行注漿施工。對于直徑較大的注漿孔，封孔也可以采用“兩堵一注”囊袋式封孔器封孔，或者其他的封孔方法進(jìn)行封孔。

注漿施工具有隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，必須設(shè)專人負(fù)責(zé)對注漿孔號、每孔注漿起止時間、注漿壓力、注漿量做好記錄和整理，以便于以后分析和評估注漿效果。

漿液制作時，需充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑖?yán)格掌握注漿參數(shù)、漿液配比，并應(yīng)攪拌一桶注一桶。水灰比和注漿終壓，應(yīng)該滿足設(shè)計(jì)要求。在吸漿口處設(shè)置過濾網(wǎng)，以防漿液結(jié)塊進(jìn)入注漿泵內(nèi)。

注漿過程中，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓后，關(guān)閉注漿泵3min～5min，當(dāng)注漿壓力明顯下降時，再點(diǎn)動開啟注漿泵，直至注漿壓力穩(wěn)定在注漿設(shè)計(jì)終孔壓力值不再下降，即可停機(jī)、關(guān)閉注漿閥，在開啟泄壓閥后才能換孔注漿。

在注漿期間，如果單孔注漿量超過1.5t且仍達(dá)不到設(shè)計(jì)壓力時，一般認(rèn)為是漿液沿大裂隙定向向外擴(kuò)散所致。應(yīng)采用注注停停的方法逐漸加壓注漿；或重新在該孔附近打注漿孔復(fù)注，以保證巷道圍巖內(nèi)漿液擴(kuò)散均勻。

2.5 注漿加固結(jié)果檢測

注漿加固最終質(zhì)量檢驗(yàn)可以通過以下方法：

注漿壓力：即注漿終壓恒定≥1.5MPa時，說明該注漿孔注漿完成。

檢查孔探查：利用風(fēng)動鑿巖機(jī)、錨桿鉆機(jī)或其他鉆機(jī)，打檢查鉆孔以檢查注漿加固質(zhì)量。如果鉆進(jìn)順利、鉆機(jī)聲音正常、不卡鉆、成孔良好、不塌孔、孔壁不掉渣，說明注漿加固效果良好，否則，應(yīng)進(jìn)行重新注漿加固。

2.6 注漿加固材料預(yù)算

每個注漿孔的漿液注入量，與漿液損失系數(shù)、注漿段長、漿液擴(kuò)散半徑、煤柱裂隙率等有關(guān)。一般情況下，漿液損失系數(shù)為0.2，煤柱裂隙率為0.05～0.07，注漿段長為孔深與漿液擴(kuò)散半徑之和。

漿液擴(kuò)散半徑是注漿領(lǐng)域的一個重要指標(biāo)，這個指標(biāo)受煤巖體裂隙發(fā)育程度（煤柱裂隙率）、注漿壓力、漿液滲透率、漿液反應(yīng)時間等多種因素影響，而且這些因素取決于各種不確定的地質(zhì)因素，因此，目前對漿液擴(kuò)散半徑尚沒有可靠的測算方法只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，一般斷層破碎帶漿液擴(kuò)散半徑不小于1.5m。

3.急傾斜工作面斷層注漿加固效果預(yù)期及意義

急傾斜工作面斷層注漿加固項(xiàng)目屬全國首例，無成功先例可循。斷層注漿加固后，工作面在回采過程中，若斷層帶切割后頂板不出現(xiàn)大面積離層垮塌、煤壁片幫減少，不需再采取超前煤壁人工作假頂過斷層，即宣布斷層注漿加固項(xiàng)目取得成功。

急傾斜工作面過斷層注漿加固項(xiàng)目取得成功，工作面在斷層帶中的回采安全得到保障，回采效率得以提高，相比邁過斷層重新切割的方式，最大程度地回收了煤炭資源，節(jié)省了時間和人力、物力、財力，對西南地區(qū)乃至全國地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斷層發(fā)育的急傾斜煤層礦井過斷層注漿加固具有指導(dǎo)意義。