斷層破碎帶注漿加固技術(shù)實(shí)踐

王守國

(中煤昔陽能源有限責(zé)任公司,山西 晉中 045300)

0 引言

我國煤炭資源豐富,煤炭在一次能源的消費(fèi)中占有相當(dāng)大的比重[1]。我國不同地區(qū)的煤礦開采條件錯(cuò)綜復(fù)雜,在煤礦回采過程中往往會(huì)遇到大落差大傾角的斷層破碎帶,根據(jù)礦井的總體設(shè)計(jì)以及地表構(gòu)筑物的影響,此類構(gòu)造經(jīng)常是無可避免的[2]。工作面回采過程中遇到的斷層等構(gòu)造破碎帶往往會(huì)引起工作面上方冒頂、礦壓現(xiàn)象強(qiáng)烈甚至壓死支架,對(duì)工作面人員和設(shè)備存在很大的安全隱患[3]。因此,如何順利安全的通過工作面推進(jìn)方向上不可避免遇到的斷層破碎帶是采礦工作者們面臨的一大難題。

近年來,隨著我國對(duì)煤炭能源的不斷需求以及采礦技術(shù)的不斷進(jìn)步,越來越多地區(qū)的礦井開始向深層復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的煤層開采[4],但斷層等構(gòu)造破碎帶制約了煤炭資源的安全開采[5]。斷層破碎帶的存在使工作面原有的原巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,回采工作面頂板來壓大[6],回采困難,容易造成瓦斯泄露與瓦斯超標(biāo)甚至導(dǎo)致工作面透水,因此亟需采用一定的技術(shù)和手段對(duì)工作面推進(jìn)方向上的斷層進(jìn)行注漿加固,保證工作面的安全高效回采。關(guān)于斷層的注漿加固,部分學(xué)者已經(jīng)取得了一定的研究成果。嚴(yán)國超等[7]對(duì)硫鋁酸鹽水泥注漿材料進(jìn)行改性,通過流動(dòng)度、力學(xué)性能測試和XRD、SEM等手段對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行測定,從微觀層面揭示了水溶性聚氨酯對(duì)材料的改性作用,應(yīng)用于宏巖煤礦后現(xiàn)場實(shí)施效果證明該種材料具有良好的加固效果。張華磊等[8]對(duì)薄基巖的破斷機(jī)理進(jìn)行了分析,對(duì)顧北礦的工作面的風(fēng)氧化帶注漿加固技術(shù)進(jìn)行了研究,從地面采用J型水平羽翼分支孔對(duì)風(fēng)氧化帶進(jìn)行注漿加固,采場上方構(gòu)建了一層承載層,保證了工作面的安全回采。孫守義等[9]對(duì)發(fā)耳煤礦的軌道大巷圍巖變形、破碎嚴(yán)重、錨固結(jié)構(gòu)極易失效的地段進(jìn)行了注漿加固修復(fù),注漿后巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃瘟棵黠@減小,巖裂隙基本被漿液充填,巷道變形基本得到控制。張進(jìn)鵬等[10]以平煤十礦為工程背景,基于失穩(wěn)機(jī)理探究裂隙巖體自應(yīng)力漿液加固原理,研發(fā)出了新型高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨桿系統(tǒng),設(shè)計(jì)了破碎圍巖錨注支護(hù)方案,使破碎圍巖得到了良好的控制。

基于以上分析,以往的學(xué)者研究的重點(diǎn)大都集中于對(duì)破碎圍巖的機(jī)理、注漿機(jī)理、注漿材料的研究,對(duì)破碎帶的建模以及注漿工藝的研究相對(duì)缺乏。針對(duì)中煤昔陽能源有限公司白羊嶺煤礦15111工作面推進(jìn)方向上遇到的DF10、DF11斷層的問題,提出對(duì)2個(gè)斷層采取注漿加固的方案。注漿能夠有效填補(bǔ)斷層之間的裂隙和孔縫,能很好解決工作面頂板的礦壓強(qiáng)烈現(xiàn)象,將破碎的圍巖重新膠結(jié)為一個(gè)統(tǒng)一的整體,保證工作面的安全高效回采。因此,對(duì)工作面推進(jìn)方向上的斷層進(jìn)行注漿加固,對(duì)于保證回采面上人員和機(jī)械設(shè)備的安全具有重要的意義。

1 工程概況

白羊嶺煤礦目前回采15111工作面,工作面基本情況如圖1所示。根據(jù)15111軌道順槽、15111膠帶順槽、15111底板巷及15111高抽巷實(shí)際揭露資料、順層鉆孔、三維地震勘探資料、槽波探測資料等分析,考慮工作面推進(jìn)度,隨著15111工作面推采,將相繼進(jìn)入DF11(∠67°H=16～18 m)正斷層、DF10正斷層組(落差達(dá)15 m),該斷層破碎區(qū)域從15111膠帶順槽側(cè)開始波及至15111軌道順槽側(cè),DF11正斷層影響推采長度約104.7 m,DF10正斷層影響推采長度約51.9 m,傾向的影響范圍幾乎涵蓋了工作面全長,影響工作面推進(jìn)長度約156.6 m。

圖1 工作面斷層情況

因此,從工作面順槽側(cè)開始布置注漿孔,選擇適合的注漿材料及注漿工藝,對(duì)斷層帶沿?cái)鄬悠扑槊孢M(jìn)行長距離、大直徑、高壓、超前加固,對(duì)于保障15111工作面安全回采非常有必要,因此設(shè)計(jì)注漿加固區(qū)域是DF10和DF11所在的傾角大、落差大、對(duì)回采工作影響較大的斷層構(gòu)造破碎區(qū)域進(jìn)行局部的、有針對(duì)性的不飽和注漿。

2 模型建立

為了對(duì)工作面煤層的傾向、走向和斷層的傾角落差有一個(gè)更直觀更全面的認(rèn)識(shí),建立了工作面斷層的三維立體動(dòng)畫模型和三維立體的實(shí)物模型。三維動(dòng)畫模型如圖2所示,三維實(shí)物模型如圖3所示。

圖2 三維動(dòng)畫模型

圖3 實(shí)物立體模型

圖3中黑色的部分代表煤層,灰色的部分代表斷層,從三維模型圖和實(shí)物立體模型圖不難看出,DF10和DF11這2個(gè)斷層存在于工作面推進(jìn)方向上,且2個(gè)斷層的落差過大,采煤機(jī)硬過勢必會(huì)因頂板壓力過大而對(duì)工作面的人員和機(jī)械設(shè)備造成安全隱患,因此有必要對(duì)斷層進(jìn)行注漿使其與煤巖體膠結(jié)成為統(tǒng)一整體。另外,三維模型的建立,也為注漿工藝的設(shè)計(jì)和注漿孔的布置提供了參考。

3 注漿管設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)存注漿管的缺陷

采用注漿的措施來對(duì)構(gòu)造破碎帶進(jìn)行加固,可達(dá)到改善圍巖力學(xué)性質(zhì),增強(qiáng)圍巖整體性,控制圍巖變形的效果。隨著注漿工藝的不斷發(fā)展,主要衍生了注漿鋼管注漿和注漿錨索注漿2種方式,以往的注漿工藝存在的主要問題有兩方面。①傳統(tǒng)的注漿工藝中在用囊袋或?qū)Ｓ梅饪灼髯{時(shí),會(huì)不可避免地發(fā)生因封孔強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致跑漿漏漿情況[11];②在對(duì)破碎帶進(jìn)行長距離、大直徑、高壓超前加固過程中,在注漿孔內(nèi)對(duì)采掘工程基本沒有影響的小的構(gòu)造破碎帶也進(jìn)行了注漿,造成了注漿材料的浪費(fèi)。

3.2 自封孔式定向注漿鋼管設(shè)計(jì)

為解決現(xiàn)存的注漿鋼管存在的缺陷及問題,文中設(shè)計(jì)了一種自封孔式定向注漿鋼管,其桿體為剛性注漿鋼管,在其頭部設(shè)置有圓形的出漿孔,橡膠囊袋封孔器嵌套在注漿鋼管桿體上,使用時(shí)注入高壓水以此來達(dá)到封孔的目的,如圖4所示。

1-高壓水膠管;2-尾部橡膠囊袋封孔器;3-頭部囊袋封孔器;4-出漿孔;5-注漿管桿體

自封孔式定向注漿鋼管的注漿管桿體為頭部設(shè)計(jì)有出漿口的注漿鋼管,使用時(shí)注漿管內(nèi)的漿料從出漿口泵出,實(shí)現(xiàn)定向注漿的目的;橡膠囊袋封孔器嵌套在注漿鋼管桿體上,出漿口兩側(cè)各嵌套一個(gè)橡膠囊袋封孔器,2個(gè)橡膠囊袋封孔器之間通過高壓水膠管連接,使用時(shí)注入高壓水使橡膠囊袋封孔器膨脹貼緊注漿孔壁和注漿鋼管以達(dá)到封孔的目的。

3.3 使用方法

自封孔式定向注漿鋼管的使用方法如圖5所示。首先,在巷道內(nèi)沿工作面方向傾斜向上布置注漿孔,注漿孔的深度滿足穿過斷層。接著,將自封孔式定向注漿管伸入注漿孔內(nèi),其伸入的深度要滿足出漿孔位于斷層所在位置,頭部橡膠囊袋封孔器穿過斷層,尾部囊袋封孔器在斷層位置之后。最后,通過高壓水膠管向囊袋內(nèi)注入高壓水,使所述頭部高壓水封孔囊袋和尾部高壓水封孔囊袋緊貼注漿孔孔壁,以此達(dá)到封孔的效果。

1-高壓水膠管;2-尾部橡膠囊袋封孔器;3-頭部囊袋封孔器;4-出漿孔;5-注漿管桿體;6-高壓水;7-巖體;8-煤體;9-斷層裂隙帶;10-注漿孔;11-回采巷道

3.4 自封孔式定向注漿鋼管優(yōu)點(diǎn)

采用高壓水注入橡膠封孔囊袋中,可以通過調(diào)節(jié)高壓水的水壓對(duì)注漿孔進(jìn)行封孔,從而避免跑漿漏漿問題;漿料從注漿管的出漿口泵出時(shí)可以通過頭部橡膠囊袋和尾部橡膠囊袋對(duì)漿料進(jìn)行隔離,高壓漿料只能被注入斷層破碎帶,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)斷層破碎帶的定向注漿;在對(duì)破碎帶進(jìn)行長距離、大直徑、高壓超前加固過程中,在注漿孔內(nèi)的漿料不會(huì)注入對(duì)采掘工程基本沒有影響的小的構(gòu)造破碎,從而達(dá)到節(jié)省注漿材料的目的。

4 注漿技術(shù)方案

4.1 注漿材料

目前國內(nèi)外用于注漿加固的材料可以分為水泥漿料和化學(xué)漿料2種[12]。水泥漿材結(jié)石強(qiáng)度高、來源豐富、工藝簡單、成本低,但這種漿液在使用過程中容易產(chǎn)生離析和沉淀,并且水泥料顆粒度大,難以注入巖層的細(xì)小孔隙中?；瘜W(xué)漿液可注性好,能注入煤巖體中的細(xì)小孔隙中,但化學(xué)漿液性能差異大,材料強(qiáng)度有限、成本高,且部分化學(xué)漿料具有毒性。

通過對(duì)水泥漿料和化學(xué)漿料對(duì)比分析后,本次注漿選用JDAQ-4型無機(jī)充填加固材料,該種材料屬于水泥類注漿料,具有初凝快、無收縮、微膨脹、高滲透、高流動(dòng)、高強(qiáng)度、高折度、不含化學(xué)物、溫度低、抗腐蝕的特點(diǎn)。筆者對(duì)JDAQ-4材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、粘合度和流動(dòng)度等參數(shù)進(jìn)行了測定,測定結(jié)果見表1。

表1 JDAQ-4材料性能指標(biāo)

4.2 注漿孔布置

結(jié)合以往工程實(shí)例中JDAQ-4材料的應(yīng)用,該種材料的漿液擴(kuò)散半徑為3.0～4.0 m。此次主要是對(duì)15111工作面的DF11和DF10斷層進(jìn)行注漿加固,為確保漿液更好擴(kuò)散從而對(duì)斷層進(jìn)行封閉,此次注漿在15111膠帶順槽側(cè)和15111工作面內(nèi)布置注漿孔,對(duì)斷層落差大的地方進(jìn)行不飽合注漿加固。

4.2.1 DF11斷層注漿孔布置

為保證綜采工作面安全地通過DF11斷層,在15111膠帶順槽內(nèi)布置注漿孔,對(duì)DF11斷層進(jìn)行注漿加固。注漿孔單排布孔,間距1.8 m,鉆孔施工角度根據(jù)現(xiàn)場及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。鉆孔施工的長度以穿越DF11斷層面附近4 m巖或6 m煤為準(zhǔn)。膠帶順槽側(cè)注漿孔平面布置如圖6所示,DF11斷層注漿孔布置參數(shù)見表2。

表2 DF11斷層注漿孔布置參數(shù)

圖6 DF11斷層注漿孔布置

4.2.2 DF10斷層注漿孔布置

為保證工作面安全通過DF10斷層,在15111膠帶順槽內(nèi)布置傾斜注漿孔,鉆孔按單排布孔,孔距1.0 m。鉆孔施工傾角根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。鉆孔以實(shí)際見煤3～5 m后退鉆桿,膠帶順槽側(cè)注漿孔布置平面圖如圖7所示,膠帶順槽側(cè)注漿孔參數(shù)見表3。

表3 加固DF10斷層注漿孔布置參數(shù)表

圖7 DF10斷層注漿孔布置

4.3 注漿工藝

根據(jù)白羊嶺煤礦的煤巖體各項(xiàng)物理參數(shù)測定的結(jié)果以及以往工作面注漿加固的工程實(shí)際情況,注漿壓力控制在8～10 MPa進(jìn)行注漿。具體施工工藝為:標(biāo)記鉆孔位置→布置鉆機(jī)、調(diào)整角度打孔、鉆孔完畢后退出鉆桿、鉆頭壓風(fēng)排渣→鉆孔內(nèi)采用花管護(hù)孔→安裝注漿管、注漿管螺紋端外露150 mm→封孔(囊袋封孔)→安裝孔口截止閥→連接注漿系統(tǒng)制漿開泵注漿至終壓穩(wěn)定→停泵,關(guān)閉孔口閥→拆除注漿系統(tǒng),移至下一個(gè)注漿孔,單孔注漿結(jié)束。

4.4 注漿效果

采用無機(jī)加固材料對(duì)工作面推進(jìn)方向的斷層加固,可提升頂板的穩(wěn)定性,使煤巖體節(jié)理被填充,膠結(jié)成穩(wěn)定的結(jié)塊。同時(shí),該無機(jī)材料無發(fā)熱性,可減少遺煤自燃氧化風(fēng)險(xiǎn),煤巖體形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)后利用工作面過斷層期間可快速推進(jìn)。注漿加固后,對(duì)加固后的煤巖體進(jìn)行取樣測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,斷層注漿加固后,粘結(jié)后的煤巖體的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等各項(xiàng)性能參數(shù)均符合要求,能夠滿足工作面順利通過斷層破碎帶。

采取不飽合注漿的方式對(duì)15111工作面內(nèi)落差較大的DF11和DF10斷層進(jìn)行加固,可以使對(duì)工作面影響大的斷層有效膠結(jié)為統(tǒng)一的整體。根據(jù)工作面回采至DF10和DF11區(qū)域時(shí),可以明顯的看到白色的注漿材料對(duì)斷層構(gòu)造帶的圍巖裂隙和大的裂縫進(jìn)行了填充,有效地將2個(gè)斷層破碎的圍巖膠結(jié)成了統(tǒng)一的整體;通過注漿加固后,工作面回采時(shí)未出現(xiàn)煤壁片幫、冒頂、液壓支架阻力增大、礦壓顯現(xiàn)異常等現(xiàn)象。

基于以上現(xiàn)場回采結(jié)果可知,注漿材料對(duì)斷層進(jìn)行了良好的填充固化作用,保證了工作面順利的通過DF10和DF11斷層。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)白羊嶺煤礦15111工作面推進(jìn)方向上的DF11和DF10斷層加固技術(shù)進(jìn)行了研究并應(yīng)用于工程實(shí)際,注漿加固后能夠?qū)鄬又匦履z結(jié)為統(tǒng)一的整體,提高圍巖強(qiáng)度,對(duì)抑制頂板來壓異常效果顯著,具有很大的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

(2)針對(duì)15111工作面過斷層所面臨的頂板破碎的難題,設(shè)計(jì)自制了一種自封孔式的定向注漿鋼管并提供了其使用方法,實(shí)踐結(jié)果證明該種鋼管和注漿方法取得了良好的效果。

(3)選擇了JDAQ-4型注漿材料,并設(shè)計(jì)了合理的注漿參數(shù),采用不飽和注漿的方式對(duì)斷層落差大的地方進(jìn)行了注漿,解決了白羊嶺煤礦的實(shí)際問題,對(duì)以后類似過斷層的注漿加固工程提供了借鑒。