構造區超前深孔預注漿關鍵問題探討

崔志強

（晉城煤業集團趙莊煤業 ，山西 晉城 048000）

工作面揭露斷層、陷落柱等構造區時，容易發生片幫、冒頂。工作面片幫、冒頂是制約綜采設備效能發揮的重要因素，嚴重影響回采速度和安全生產。現在多采用的處理辦法是工作面發生片幫、冒頂之后，采用化學漿進行處理加固，甚至需要工作面停采給出施工時間，本質上講，化學漿加固為一種滯后的應急處理措施。自2015年來，晉煤集團開展構造區超前深孔預注漿技術，在長平礦、寺河礦、趙莊礦等進行了大量的現場實踐，積累了較多的技術和施工經驗[1～2]。由于工程條件差異性，本文以該技術的關鍵問題為出發點，以期為構造區加固提供原則性的設計依據，提高其適用性。

1 目前處理方式及存在問題

工作面出現嚴重的片幫、冒頂之后，化學漿處理為一種常見措施，化學漿凝固速度快，粘接性強，能夠起到良好的作用，但存在3個主要問題：

1）工作面停采引起破壞范圍增大。工作面出現嚴重問題之后，工作面需要停采處理冒落矸炭，在工作面打鉆采用化學漿加固。相當多的研究表明，工作面停采是加劇工作面片幫、冒頂的重要原因，在超前支承壓力作用影響下，工作面片幫范圍和深度不斷增加，裂隙迅速發展，化學漿消耗量成倍增長；

2）化學漿成本高昂。化學漿價格約3萬元/t，晉煤集團長平礦、趙莊礦、寺河礦，工作面問題嚴重，每年累計消耗化學漿2.5億元以上，給企業帶來的沉重的經濟負擔；

3）化學漿有毒、反應溫度高。化學漿為有機材料，有毒，有腐蝕性，反應溫度200℃～300℃，對于高瓦斯、易自燃煤層，存在很大的安全隱患，全國發生過多起煤礦使用化學漿引起的火災事故，在部分地區已經被禁止使用。

2 超前深孔預注漿方式

針對化學漿后處理帶來的問題，晉煤集團自2015年開展構造區超前深孔預注漿加固技術研究，其主要思路為：針對構造區，超前工作面一定范圍，在兩條順槽內，向中部施工深孔鉆孔，如圖1所示。根據構造類型不同，選擇鉆孔布置方式和具體參數，提前預注，目的是加強構造區煤幫、頂板強度，提高其承載能力，減輕工作面回采到構造區時的片幫、冒頂程度，加快工作面推進速度，減少超前支承壓力作用時間，極大地減少化學漿使用量。

圖1 構造區超前深孔預注漿方式示意圖

3 超前深孔預注漿關鍵問題探討

超前深孔預注漿由來已久，但一直未起到理想的加固效果，主要是認識不足和施工質量問題，在此展開更為具體的探討。

3.1 構造區精準探測

首先應結合三維地震、槽波探測、鉆探等手段，較為精確的確定構造區的類型、位置、大小、影響程度，為后續鉆孔注漿方案提供精準的地質資料，如圖2所示。

圖2 構造區探測方式示意圖

3.2 不同類型構造區加固范圍及層位

大量的研究表明，采場頂板控制關鍵因素在于煤壁。煤壁為頂板的支撐點，煤壁發生片幫破壞，誘發頂板冒落的概率大幅增加，單一加固頂板，并不能起到理想的作用，煤壁加固也應作為重點。進一步的研究表明，距離頂板0.135倍采高處煤壁最易先發生破壞，即煤壁中上部應力集中區位置。

根據“控幫立頂”的技術思路，超前區深孔鉆孔基礎設計為上、下兩排，上排鉆孔加固煤壁上方1～2m厚度的頂板，下排鉆孔加固煤壁中上部。

加固層位：針對不同構造類型，應先做出工作面傾向剖面圖，在剖面圖上確定機采范圍和高度，鉆孔層位根據機采范圍進行確定，對于陷落柱、軟煤區、復合頂板類型構造，工作面基本平行通過，機頭至機尾機采范圍基本為一水平線均勻變化，而斷層構造則需要支架變坡過斷層，機采范圍變化大，必須更加注意，斷層構造鉆孔布置如圖3所示。

圖3 斷層構造鉆孔布置方式示意圖

加固范圍：對于斷層，加固范圍為斷層面附近及支架在傾向上揭煤區域，如圖3所示；對于陷落柱，陷落柱中部多存在硬核，需要爆破通過，薄弱區域為陷落柱與煤巖體交界面，加固范圍應為交界面位置，不需要穿透注漿，如圖4所示；對于軟煤區、復合頂板，則需要整體穿透加固，如圖1所示。

圖4 陷落柱加固范圍示意圖

3.3 注漿材料

以往多采用普通水泥，漿液水灰比1：1，配合水玻璃使用。存在2個問題：

1）材料強度低。普通水泥和易性差，必須使用較多的水才能配置成流動性較好的漿液，水灰比為材料強度的根本，水灰比越大，強度越低，且強度增長越緩慢；

2）材料細度低。普通水泥僅有200目左右，粒徑較大，配合較大水灰比使用，漿液容易發生泌水、沉淀，擴散性能差，微小裂隙難以進入，造成注漿效果差。

針對普通水泥的缺點，河南力行科創礦山技術開發有限公司研發了一種超細水泥注漿材料，細度1000目以上，是普通水泥的5倍，并通過外加劑調整施工性能，優勢如下：

1）漿液不發生泌水、沉淀，擴散性能好。由于細度高，懸浮性好，漿液均勻，在流動和靜置條件下均不會發生沉淀，且材料細度足夠，可以滲入微小裂隙，起到更好的擴散效果；

2）施工性能好。通過外加劑的加入，減小水灰比至0.6：1，漿液具備40min左右良好的流動性，滿足漿液制備、管路輸送、孔內流動擴散所需時間，1h后變稠至膠水狀，防止漿液流失，10h后強度快速增長；

3）強度增長快。由于采用較小的水灰比，且細度高提高了材料的活性，強度增長迅速，1d單軸抗壓強度16MPa以上，3d單軸抗壓強度25MPa以上，滿足工作面快速推進的時效性要求。

3.4 注漿壓力

煤礦注漿隨意性大，對于注漿壓力選擇不夠重視，往往是根據已有注漿設備，注漿泵達到額定注漿壓力，或者出現嚴重漏漿即停止注漿，注漿效果難以保證。

長期的現場實踐表明，構造區內存在大裂隙、小裂隙、微裂隙，尤其對于超前預注，受采動影響小，部分裂隙貫通性差，必須通過高壓劈裂方式，將原本不貫通的裂隙進行連通，使絕大多數裂隙被漿液填充。根據煤巖體抗拉強度，高壓劈裂注漿壓力選擇20～30MPa。

3.5 合理注漿時機

研究合理注漿時機的目的是確定注漿時機與工作面推進的關系。從時間角度考慮，深孔預注漿越早越好，有充足的施工時間，工作面推進到構造區時可以直接通過。但從裂隙發育規律的角度，提倡超前支承壓力區注漿方式，即在工作面前方0～50m范圍進行注漿，主要原因是工作面超前影響范圍約為0～60m，受壓力作用，構造內裂隙逐漸張開，貫通性提高，可注性增強，且圍巖并未發生結構性破壞，仍具備較高的承載能力，此時進行注漿能夠取得更好的擴散效果。

結合時間和裂隙發育規律兩個因素，一般采取提前打鉆、封孔，進入超前支承壓力區之后再注漿的方式。

3.6 施工質量

上述分析較為全面的探討了深孔預注漿的關鍵因素，為鉆孔注漿方案設計提供了理論依據，而現場施工是整個注漿加固工作的重要一環。

構造區注漿為隱蔽性工程，鉆孔深度大，鉆桿存在下沉及回轉問題，精確定向困難；注漿是否能夠保證達到注漿壓力，依賴現場施工人員責任心；實際鉆孔層位與設計方案中出現差異，是否能夠及時調整，都影響到整個注漿加固工程質量。因此，必須有一支經驗豐富、責任心強的專業施工隊伍進行實施。

3.7 化學漿使用

超前深孔預注漿主要目的是填充絕大部分裂隙，必然存在未被加固的裂隙，且超前支承壓力區注漿完成后，工作面通過前，仍要受數天的壓力影響，部分裂隙重新張開，需要進行化學漿補注，且超細水泥注漿材料為無機材料，粘接性差，出現片幫時仍需要依賴化學漿的粘接能力。因此深孔預注漿的意義在于減少化學漿用量，降低70%以上的注漿成本，并不能完全替代化學漿。

4 結論

1）工作面出現片幫、冒頂后，化學漿處理屬于滯后的應急處理措施，存在停采引起的破壞程度增大、注漿成本高昂、發火危險等問題；

2）介紹了構造區超前深孔預注漿加固方式，即超前工作面一定范圍，在兩條順槽內，向中部施工深孔鉆孔，進行注漿加固；

3）從構造區精準探測、不同構造類型加固范圍和加固層位、注漿材料、注漿壓力、注漿時機、施工質量、化學漿使用認識等7個關鍵問題出發，分析了目前深孔預注漿存在的認識不足和施工質量問題。