陽煤五礦褶皺構造超前預注漿加固技術研究

劉許亭

(晉城煤業集團 趙莊煤業， 山西 晉城 048000)

陽泉地區煤層開采受褶皺構造影響較大，褶皺核部巖層受水平擠壓作用，產生許多裂隙，直接影響到巖體的完整性和強度，工作面通過時極容易發生片幫、冒頂事故[1-2]. 常用的處理辦法是，當工作面即將揭露構造，或者已經出現片幫冒頂時，停采采用化學漿處理[3-4]. 停采影響生產，并導致煤壁及頂板破壞更加嚴重，且化學漿成本高，以陽煤五礦為例，每年工作面回采約消耗5 000萬元的化學漿，增加了該礦的經濟負擔[5]. 針對陽煤五礦褶皺開展新型無機注漿材料加固技術研究，以期能夠降低注漿加固成本，保障工作面安全順利開采。

1 工程背景

陽煤五礦8410工作面井下位于四采區，處于+420 m水平，煤層埋深438～573 m，可采走向長度1 571 m，傾斜長198.6 m，布置8410進風巷和8410回風巷兩條順槽。采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤方法，采用全部垮落法管理頂板。

8410工作面為孤島工作面，北部為8411工作面采空區，南部為8409工作面采空區。因此，8410工作面在回采期間，工作面及兩順槽礦壓顯現十分劇烈，加上褶皺構造十分發育，工作面片幫、冒頂嚴重，2019年3、4月推進進尺分別為7 m、9 m，使用化學漿分別為260 t、280 t，化學漿消耗超過1 000萬元。8410工作面巷道位置關系見圖1.

圖1 工作面巷道位置關系圖

2 治理思路

采用化學漿對煤壁、頂板進行加固存在的根本問題是化學漿凝固速度快，擴散半徑小，只適合淺孔注漿，只能等工作面揭露或緊鄰構造時實施，是一種應急處理措施，而非預防性措施，并且化學漿注漿只能在工作面內進行，施工必然導致工作面停采，工作面一旦停采，煤壁及頂板在超前支承壓力作用下進一步變形破壞，導致破壞范圍更大、程度更高、片幫冒頂更嚴重、注漿量更大、工作面更難以推進，形成惡性循環。

因此，應從提前預防的角度出發，在兩順槽內對褶皺構造超前預注漿加固，提高構造區煤巖體完整性和強度，提高承載能力，避免工作面停采，減少化學漿用量。

技術關鍵在于注漿材料選擇，目前常用的普通水泥或者化學漿都存在一定的局限性，普通水泥細度不足、擴散效果差、凝固速度及強度增長緩慢、漏漿難以封堵，而化學漿擴散范圍有限、成本高，均無法滿足超前深孔預注的需要。計劃采用兩種新型無機注漿材料，并從鉆孔布置、實施方式、注漿工藝等方面綜合考慮，形成切實可行的褶皺構造超前預注漿加固技術。

3 新型無機注漿材料預注方案

3.1 試驗區域

在回采進度545～585 m，40 m長度范圍，覆存一褶皺構造向斜褶曲，工作面傾向上影響長度0～55 m，8410進風巷正常沿煤層頂板掘進，在褶曲區域為避免巷道起伏過大，破頂掘進，留底煤厚度增大，巷道為半煤巖巷或全巖巷。孤島工作面礦壓顯現劇烈，8410進風巷巷幫煤巖體十分破碎。試驗區域范圍示意圖見圖2.

圖2 試驗區域范圍示意圖

3.2 鉆孔設計方案

在過構造40 m區域，選取4個位置作為關鍵點，分別為回采進度550 m、560 m、570 m、580 m，向工作面煤體內進行鉆探，根據鉆探結果繪制煤層在傾向上的起伏示意圖。在示意圖上確定支架在傾向上的變坡情況，從而確定支架高度范圍，最后根據支架高度范圍繪制注漿鉆孔。

鉆孔布置原則：根據現場煤幫頂板情況，煤質較硬，頂板泥巖十分破碎，因此以加固頂板為主，鉆孔應布置在支架高度范圍上方2 m層位，擴散半徑約3 m.

4個關鍵點位置的傾向剖面及鉆孔布置示意圖見圖3.

圖3 4個關鍵點傾向剖面及鉆孔布置示意圖

統計4個關鍵點的開孔高度、鉆孔角度、孔深等參數，鉆孔最大俯角不超過6°，否則難以施工。由于煤層變化基本連續，根據4個關鍵點的鉆孔參數，依次設計其他鉆孔的參數。為保障漿液擴散效果，鉆孔間距2 m，孔徑確定為94 mm. 40 m范圍共設計21個鉆孔，編號1#～21#，鉆孔布置平面圖見圖4，所有鉆孔參數見表1.

圖4 鉆孔布置方式平面圖

表1 各個鉆孔參數表

3.3 新型無機注漿材料

新型無機注漿材料包括雙液注漿材料和單液注漿材料。

雙液注漿材料用于封堵表層裂隙、錨桿索孔等漏漿通道，適合于0～20 m孔深，分為A型和B型，使用水灰比0.8∶1，混合0.5～2 min后失去流動性，5～10 min完全固化，2 h強度11 MPa，1 d強度15 MPa以上，適合淺部破碎圍巖注漿封堵和加固。

單液注漿材料用于深孔注漿，適合于20～150 m深孔，為超細水泥基注漿加固材料，細度1 000目以上，通過外加劑調整性能，具備40 min良好的流動性，可以在深孔內充分擴散，超細化之后漿液均質性良好，流動擴散過程中不出現泌水，且能夠進入微小裂隙，1 d強度20 MPa以上，3 d強度40 MPa以上。

兩種無機注漿材料成本均為3 000元左右，不足化學漿的1/5.

3.4 循環套孔注漿方式

為使漿液充分擴散，采用循環套孔注漿方式，每10 m一個循環，即：采用d133 mm鉆頭開孔3 m，退鉆，下d108 mm套管，然后改換d94 mm鉆頭繼續鉆進至10 m，退鉆，利用套管采用雙液注漿材料進行第1次注漿；注漿完畢后套孔鉆進至20 m，退鉆，利用套管采用雙液注漿材料進行第2次注漿；注漿完畢后套孔鉆進至30 m，退鉆，利用套管采用單液注漿材料進行第3次注漿，之后全部采用單液注漿材料。依次循環鉆進、注漿、套孔，直至鉆進至設計深度，退鉆再進行最后一次插管注漿。

3.5 注漿工藝參數

注漿壓力：孔深小于10 m時，注漿壓力應達到6～8 MPa，孔深大于10 m時，注漿壓力應達到10～15 MPa.

防漏漿技術：采用循環套孔注漿方式，前20 m采用雙液注漿材料，基本不存在漏漿問題，之后采用單液注漿材料，由于單液注漿材料流動性好，出現漏漿難以自行封堵，需要換注雙液注漿材料，漏漿解決后，繼續換注單液注漿材料，依次循環，直至達到設計注漿壓力。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

超前工作面200 m開始實施，工期40天，現場采取打一個注一個的方式，不存在串孔問題，共實施21個鉆孔，鉆進和套孔總進尺1 685 m，合計使用無機注漿材料106 t，其中雙液注漿材料46 t，單液注漿材料60 t，材料和施工總費用83萬元。

4.2 效果考察

1) 工作面未發生冒頂。

工作面通過未注漿褶皺構造時，工作面片幫、冒頂頻發，冒落矸石碎塊堆積在回采空間，迫使工作面多次停采處理；進入注漿區域后，工作面煤壁平直、頂板良好，未發生冒頂。

2) 工作面推進速度。

工作面通過未注漿褶皺構造時，工作面平均推進速度0.8 m/天，多次停采處理頂板冒落矸石；進入注漿區域后，推進速度提高到2.5 m/d，除正常檢修未停采。

3) 化學漿使用。

進風巷機頭區域為注漿加固區域，與未注漿的回風巷機尾區域作對比，機尾50 m每天注4 t化學漿，機頭50 m未使用化學漿。

4) 經濟效益。

試驗區域共使用106 t新型無機注漿材料，換算成漿液約180 m3，除去填充鉆孔體積12 m3，實際充填裂隙約168 m3，換算成等體積化學漿約84 t，按照15 000元/t計算，則相當于替代126萬元的化學漿，40 m長度共節約43萬元，平均節約1.075萬元/m. 陽煤五礦工作面褶皺構造十分發育，基本上需要全工作面注漿，按照每個工作面長度1 500 m計算，則采用無機注漿材料加固后，每個工作面節約注漿費用超過1 600萬元，經濟效益顯著。

5 結 論

1) 褶皺構造治理思路應從提前預防的角度出發，在兩順槽內對褶皺構造超前預注漿加固，提高構造區煤巖體完整性和強度，提高承載能力，避免工作面停采，大幅減少化學漿用量。

2) 新型無機注漿材料包括雙液注漿材料和單液注漿材料，雙液注漿材料用于淺部裂隙封堵，單液注漿材料用于深部擴散加固，成本不足化學漿的1/5.

3) 循環套孔注漿方式為每10 m一個循環，循環鉆進、退鉆、注漿工序，保障漿液擴散效果。

4) 效果考察表明，與未注漿區域相比，注漿區域未發生冒頂，推進速度由0.8 m/d提高到2.5 m/d，注漿區域未使用化學漿，工作面采用新型無機注漿材料后，與化學漿相比，節約注漿費用1.075萬元/m，經濟效益顯著。