構造區深孔預注漿技術及最佳時機分析

陳紅旭

（霍州煤電集團方山店坪煤礦，山西 呂梁 033100）

煤礦常見的構造類型包括斷層、陷落柱、褶皺等，對工作面回采產生不同程度的影響，嚴重時引起片幫冒頂事故，危害極大[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。停采將會導致破壞程度加劇[3-4]。化學漿成本1.5萬元/t以上，嚴重降低煤礦經濟效益，且存在反應高溫、有毒有腐蝕性等安全問題，因此，化學漿在部分礦區已經被禁止使用。近5年來，晉煤集團開展了大量的工作面構造區超前深孔預注漿加固試驗，計劃對超前深孔預注漿加固技術進行介紹，并對關鍵參數之一的最佳注漿時機確定方法進行探討。

1 構造區超前深孔預注漿加固技術

1.1 基本方式

針對構造異常區范圍、特點，超前工作面一定距離，在兩順槽內相應位置向工作面中部施工超前深孔，覆蓋整個異常區及其邊緣，采用無機注漿材料，在合適的注漿時機，對構造區進行預注漿加固，從而填充構造裂隙，提高煤體和頂板強度，減少片幫、漏頂，提高工作面推進速度，保障安全回采，大幅減少化學漿用量。如圖1所示。

圖1 兩順槽超前深孔注漿示意圖

1.2 鉆孔布置層位

大量的現場觀察發現，冒頂并不是單一現象，由煤壁片幫引起的頂板失去支撐發生冒落非常普遍。研究表明，距離頂板0.135倍采高位置的煤壁最容易先發生片幫[5]，即煤壁中上部。因此，工作面片幫、冒頂防治的基本思路是“控幫立頂、頂幫兼顧”，不可只加固頂板。鉆孔布置一般布置上下兩排，上排孔加固煤壁上方0～3m范圍的頂板，下排孔加固煤壁中上部。鉆孔落點通過開孔高度、角度實現。鉆孔間距通過漿液擴散半徑試驗確定，一般為3～5m。

1.3 深孔注漿材料

深孔注漿材料應該滿足以下條件：

（1）流動性好。鉆孔深度一般50～120m，漿液流動時間應保證在長鉆孔內充分擴散，且不能發生水、料分離沉淀現象；

（2）細度高。構造內部裂隙大小及貫通性不一，材料顆粒應能夠通過微小裂隙，導通其他裂隙；

（3）強度增長快速。綜采工作面推進速度快，如寺河礦10m/d，注漿后材料強度必須快速增長，達到設計強度，滿足工作面快速推進需求；

為此，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單液注漿材料，細度1000目以上，是普通硅酸鹽水泥的5～6倍，使用水灰比0.6:1，加水攪拌后，40min內流動度不小于220mm，流動性良好，滿足深孔充分擴散要求，之后逐漸膠凝，1d強度22MPa，3d強度40MPa。

2 最佳注漿時機確定方法

最佳注漿時機的含義是，在某個時間或者位置進行注漿，能夠起到最好的控制效果。最佳注漿時機的確定應建立在裂隙發育程度和可注性的基礎上。

以趙莊礦5312大采高工作面為例，采用鉆孔應力計和單體柱壓力計實測工作面超前支承壓力分布情況。超前影響范圍約為55m，劇烈影響范圍約為20m，峰值位置約在工作面前方8m。繪制曲線并進行分區，如圖2所示。

圖2 5312工作面超前支承壓力分布曲線

4個分區裂隙發育及可注性情況：

①區為應力降低區，工作面前方5m以內，應力降低的主要原因是煤壁及頂板揭露后受壓破碎，強度降低，承載能力大幅下降。裂隙十分發育，可注性極好，但裂隙與切眼導通，從順槽進行深孔注漿，必然發生大面積漏漿無法封堵，而且材料無足夠時間達到強度.

②區和③區均為應力升高區，工作面前方5～55m。②區裂隙發育程度更高，裂隙大量張開、導通，可注性較好，并且①區可以起到隔離、封閉作用，防止切眼內漏漿，非常適合注漿。

③區離工作面相對較遠，開始受到超前支承壓力作用，隨著離工作面越來越近，壓力值平緩增大，裂隙緩慢張開，可注性越來越好，但顯然不如②區。

④區位于超前支承壓力影響區之外，裂隙不發育，貫通性差，可注性差，注漿量小，注漿壓力大，且逐漸完畢后進入超前支承壓力區重新壓碎，不適合注漿。

可注性分析表明，②區和③區較適合注漿，即工作面前方5～55m。為了保證切眼內不發生漏漿，止漿層應設置10m以上，即深孔注漿時機應該在工作面前方10m以外。③區內裂隙張開十分緩慢，直到工作面前方30m才開始明顯變化，并且在③區注漿后，仍要經過②區劇烈壓力階段生成大量裂隙，因此，建議注漿時機應選擇在②區，即最佳注漿時機為工作面前方10～20m。

為了避免施工緊張，可以提前施工鉆孔、預埋注漿管、封孔，然后等到進入工作面前方10～20m時再進行集中注漿。

3 現場實測

3.1 工程概況

在趙莊礦5312工作面開展不同區域注漿量試驗及效果考察。

5312大采高工作面走向長1305m，傾斜長294m，平均采高4.75m，煤層走向平均仰角2°，傾向上近水平。工作面布置53121進風巷和53123回風巷兩條巷道，巷道寬5m，高4.5m。切眼前方0～150m為復合頂板結構，煤層上方為一層1～3m厚的薄層狀泥巖，上方為0.2m厚煤線，受擾動極易發生冒落，在巷道掘進時已有體現，形成多處冒落超高區。因此，必須進行注漿加固，保障工作面安全回采。如圖3所示。

3.2 鉆孔布置方案

鉆孔上下兩排，三花布置。下排孔開孔高度2m，鉆孔間距10m，仰角5°，孔深135m，終孔位置在煤層與頂板交界面。上排孔開孔高度3m，鉆孔間距10m，孔深100m，仰角6°，終孔位置在煤層頂部以上3m位置。孔徑均為94mm。鉆孔布置如圖4所示。

圖3 5312工作面復合頂板區域示意圖

圖4 鉆孔布置示意圖

3.3 分區注漿量考察

為避免切眼后方實體煤對試驗結果的影響，工作面推進50m后，利用檢修班開始進行分區注漿量考察試驗。

試驗鉆孔數量：鉆孔間距5m，①區1個，②區3個，③區6個，④區5個。采用4臺液壓注漿泵，均勻布置，同時注漿。檢修班內將所有鉆孔注漿完畢，統計注漿終止壓力和注漿量，如表1所示。

表1 分區注漿量統計表

3.4 分區注漿效果考察

檢修班注漿結束后，工作面繼續推進，觀察工作面經過各分區時片幫、冒頂情況，匯總如下：

經過①區時，漿液尚未完全固化，強度不足，比之前推進情況并無明顯改善，平均推進速度2m/d；經過②區時，可見大量擴散痕跡，顏色發白，完全固化，未發生片幫、冒頂現象，平均推進速度8m/d；經過③區時，局部可見漿液擴散痕跡，完全固化，仍可見大量裂隙，片幫情況時有發生，平均推進速度4m/d；經過④區時，除注漿孔內完全固化的漿液圓柱段，其余區域幾乎未發現漿液擴散痕跡，可見大量裂隙、空洞，工作面片幫、冒頂情況與①區類似，平均推進速度2m/d。

4 結論

（1）構造區深孔預注漿加固技術是在兩順槽布置深孔，鉆孔層位兼顧頂板和煤壁中上部，采用超細、高滲、早強的無機注漿材料，選擇最佳注漿時機進行注漿；

（2）采用理論分析法，對工作面前方各區域進行裂隙發育程度和可注性分析，認為工作面前方10～20m為最佳注漿時機；

（3）工程實例表明，在最佳注漿時機內進行注漿，平均單孔注漿量5t，平均推進速度8m/d，未發生片幫、冒頂現象，加固效果顯著優于其他區域。