綜采放頂煤工作面過斷層超前注漿加固技術(shù)

何立成

（霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤公司三交河煤礦 ，山西 霍州 031400）

當(dāng)工作面遭遇構(gòu)造，特別是進(jìn)、出斷層或陷落柱時(shí)，煤幫及頂板不穩(wěn)定，容易發(fā)生片幫、冒頂事故，影響安全生產(chǎn)。目前利用水泥類材料對構(gòu)造區(qū)進(jìn)行超前加固，由于材料細(xì)度、注漿壓力、漏漿嚴(yán)重等問題，并未取得預(yù)期效果，因此，多在工作面發(fā)生片幫、冒頂前后大量使用化學(xué)漿加固，甚至需要停采給出施工時(shí)間，化學(xué)漿成本高昂，有毒、有腐蝕性，屬于應(yīng)急處理措施[1～2]。針對斷層等構(gòu)造進(jìn)行超前注漿加固，具有施工時(shí)間充足、提高煤巖體強(qiáng)度、減少化學(xué)漿使用等技術(shù)優(yōu)勢，但需要解決的是鉆孔精確性、漿液擴(kuò)散效果、漏漿處理等關(guān)鍵問題。本文以趙莊二號井2301工作面過斷層研究對象，針對上述問題展開研究。

1 工程背景

2301工作面位于趙莊二號井西翼盤區(qū)，開采3#煤層，工作面走向長594.4m，傾向長154.7m，煤層平均厚度4.56m，平均傾角3°。采用放頂煤開采方法，采高2.8m，放煤高度1.4m～1.7m。工作面布置兩條順槽，23011運(yùn)輸順槽和23012回風(fēng)順槽。

工作面發(fā)育1條正斷層DF22，對回采影響較大，斷層面與23012巷交匯處為回采進(jìn)度180m位置，斷層影響結(jié)束為回采進(jìn)度360m位置。在槽波探測基礎(chǔ)上，對斷層區(qū)域施工了大量的鉆探孔，如圖1所示。

圖1 工作面布置及斷層分布圖

2 斷層分布預(yù)測及注漿鉆孔布置

斷層注漿加固關(guān)鍵問題是鉆孔布置，必須保證鉆孔終孔位置進(jìn)入需要加固的層位，才能起到加固效果。因此，首先要掌握斷層下盤煤的準(zhǔn)確分布，然后確定綜放工作面機(jī)采高度范圍，從而確定注漿鉆孔參數(shù)。鉆探孔揭露能夠較準(zhǔn)確地說明斷層下盤煤分布情況，因此，選取具有代表性的鉆探孔進(jìn)行分析。

選取1-2#探孔、補(bǔ)6#探孔、補(bǔ)5#探孔、3-1#探孔，共4個(gè)探孔，分別在回采進(jìn)度205m、235m、255m、290m，根據(jù)鉆探揭露情況，繪制工作面揭露斷層面時(shí)工作面的剖面圖，并在剖面圖上確定機(jī)采高度范圍，再根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)依據(jù)在剖面圖上繪制鉆孔布置圖。先對4個(gè)鉆探孔位置進(jìn)行注漿鉆孔設(shè)計(jì)，依次對所有鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì)。

機(jī)采高度范圍確定原則：①支架在上抬段角度盡量大，但不能超過10°；②機(jī)尾距離斷層面距離假設(shè)為L，當(dāng)L＜6m時(shí)，直接上抬進(jìn)入下盤煤，當(dāng)6m＜L＜25m時(shí)，支架先不上抬，距離斷層面6m開始上抬，當(dāng)L＞25m時(shí)，支架先臥

底放頂煤，距離斷層面10m開始上抬，進(jìn)入下盤煤支架調(diào)正。

鉆孔設(shè)計(jì)原則：在23012巷幫開孔，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為上、下兩排，下排孔開孔高度距離底板1.1m，下排孔終孔位置在機(jī)采高度范圍，下排孔設(shè)計(jì)深度應(yīng)進(jìn)入下盤煤10m，上排孔開孔高度距離底板2.0m，上排孔設(shè)計(jì)深度應(yīng)進(jìn)入頂板5m,上、下排鉆孔鉆孔間距10m，上排孔終孔位置在機(jī)采高度上方1m左右的頂板內(nèi)，孔徑均為75mm。

以1-2#探孔為例，繪圖如圖2所示。

圖2 1-2#探孔位置鉆孔布置示意圖

鉆孔布置：實(shí)施范圍為回采進(jìn)度180m～360m，合計(jì)180m長度。由于斷層變化連續(xù)，以4個(gè)鉆探孔為關(guān)鍵孔，依次進(jìn)行所有鉆孔設(shè)計(jì)。上排鉆孔與下排鉆孔間距均為10m，共設(shè)計(jì)37個(gè)鉆孔，孔深45m～75m。鉆孔設(shè)計(jì)平面圖如圖3所示，部分鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表1所示。

圖3 注漿鉆孔布置平面圖

表1 注漿鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

3 注漿設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素

3.1 注漿、堵漏材料

超前深孔注漿工程特性：

1）鉆孔深度大。漿液應(yīng)具備良好的流動性，以滿足充分?jǐn)U散，同時(shí)具備良好的懸浮性，避免漿液擴(kuò)散過程中水、料分離；

2）裂隙發(fā)育程度低。超前工作面注漿，裂隙開度相對較小，貫通性較差，注漿材料應(yīng)超細(xì)化，以使材料顆粒進(jìn)入微小裂隙，同時(shí)應(yīng)配合高注漿壓力劈裂注漿；

3）時(shí)效性要求高。綜采工作面回采速度快，超前注漿后數(shù)天后工作面進(jìn)入注漿區(qū)域，要求注漿材料具備較高強(qiáng)度，因此注漿材料需要滿足強(qiáng)度快速增長。

針對超前深孔注漿工程特性，河南理工大學(xué)研發(fā)的超細(xì)水泥單液注漿材料，細(xì)度1250目，使用水灰比0.6：1，材料加水?dāng)嚢韬螅?0min～60min 內(nèi)流動性較好，不泌水，之后逐漸稠化，2h～3h完全失去流動性，約10h完全固化，之后強(qiáng)度快速增長，1d抗壓強(qiáng)度16MPa，3d 抗壓強(qiáng)度 26MPa，7d 抗壓強(qiáng)度 32MPa。

超細(xì)水泥單液注漿材料能夠滿足深孔注漿需求，需要解決的關(guān)鍵問題是圍巖表層漏漿問題，由于流動性良好，出現(xiàn)漏漿很難堵漏，造成注漿終止，注漿量較少，注漿效果不佳。

河南理工大學(xué)研發(fā)的堵漏材料為雙液注漿材料，由A、B兩種粉料組成，使用水灰比1：1，混合后2min～5min左右失去流動性，20min終凝，2h強(qiáng)度8MPa以上，是一種良好的堵漏材料，在出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿時(shí)換注，堵漏后繼續(xù)使用超細(xì)水泥單液材料，交替注漿，實(shí)現(xiàn)注漿量最大化。

3.2 合理注漿時(shí)機(jī)

合理注漿時(shí)機(jī)取決于裂隙發(fā)育程度。

工作面前方0～20m裂隙發(fā)育程度最高，注漿量大，注漿壓力小，適宜進(jìn)行注漿，但是距離工作面煤壁過近，容易出現(xiàn)工作面煤壁漏漿，影響回采，同時(shí)施工緊張，沒有給注漿材料強(qiáng)度增長時(shí)間；工作面前方55m以外為原巖應(yīng)力區(qū)，裂隙不發(fā)育，可注性差，注漿壓力大、注漿量小，注漿完畢進(jìn)入超前支承壓力區(qū)后再次產(chǎn)生大量新的裂隙，注漿作用小；工作面前方20m～55m，在超前支承壓力作用下，裂隙有一定程度的張開、貫通，此時(shí)進(jìn)行注漿，注漿壓力適中，適當(dāng)提高注漿量，工作面約3～5d回采至注漿區(qū)域，注漿材料有充分的強(qiáng)度增長時(shí)間。

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況，認(rèn)為保持在工作面前方25～45m為合理注漿時(shí)機(jī)，注漿跟隨工作面回采進(jìn)行。

3.3 最終注漿壓力

最大注漿壓力以能劈裂微小裂隙為宜，根據(jù)巖石巖性物理力學(xué)參數(shù)分析和現(xiàn)場試驗(yàn)，最大注漿壓力25MPa～30MPa，最終注漿壓力應(yīng)達(dá)到 25MPa～30MPa。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

共施工37個(gè)鉆孔，實(shí)際鉆孔進(jìn)尺2100m，注漿材料消耗量129.5t，平均單孔注漿量3.5t，最大單孔注漿量10t。

4.2 效果考察

工作面正?；夭伤俣?m/d。

圖4 工作面各區(qū)域片幫、冒頂情況

工作面進(jìn)入斷層影響區(qū)之后，進(jìn)入注漿區(qū)域前50m，工作面共發(fā)生3次片幫、冒頂現(xiàn)象，片幫深度1.5m～2.5m，冒頂高度1m～3m，連續(xù)架次超過8架，對回采造成嚴(yán)重影響，消耗大量時(shí)間處理冒頂，工作面平均回采速度0.88m/d，如圖4（a）所示；進(jìn)入注漿區(qū)域后，工作面未發(fā)生冒頂，最大片幫深度0.5m，連續(xù)架次不超過3架，回采順利，平均推進(jìn)速度2.5m/d，如圖 4（b）所示。

5 結(jié) 論

1）進(jìn)行了斷層分布預(yù)測及注漿鉆孔布置。選取關(guān)鍵鉆探孔，預(yù)測下盤煤位置，確定支架上抬設(shè)計(jì)和機(jī)采高度范圍，設(shè)計(jì)兩排注漿鉆孔，下排孔終孔位置在機(jī)采高度范圍，上排孔設(shè)計(jì)深度進(jìn)入頂板5m，并依次對37個(gè)鉆孔進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)；

2）注漿材料選擇。深孔注漿材料選用超細(xì)水泥單液注漿材料，具備超細(xì)、流動性好、強(qiáng)度增長快的特性；堵漏材料選用雙液注漿材料，具備快速失去流動性，快速堵漏的特性，兩種材料交替使用，實(shí)現(xiàn)注漿量最大化；

3）合理注漿時(shí)機(jī)為工作面前方25～45m。工作面前方0～20m施工時(shí)間緊張，漏漿問題突出；工作面前方55m以外裂隙不發(fā)育，注漿困難且作用較小，工作面前方20～55m為合理的注漿區(qū)域，通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步確定為工作面前方25～45m；

4）注漿效果考察。工作面進(jìn)入注漿區(qū)域前，發(fā)生3次對回采影響較大的片幫、冒頂，冒頂高度1～3m，平均推進(jìn)速度0.88m/d，進(jìn)入注漿區(qū)域后，未發(fā)生冒頂，工作面推進(jìn)速度2.5m/d。