深孔無機注漿替代化學漿技術關鍵及制約因素分析

薛向陽

(濟鑫煤業有限公司 留石村煤礦， 陜西 咸陽 711300)

工作面以往過地質構造，為防止片幫冒頂，多采用提前預注化學漿方式加固煤壁和頂板，但化學漿控制范圍有限，成本高[1]. 自2015年開始，晉煤集團聯合河南理工大學，展開深孔無機注漿材料及技術裝備攻關，目的是超前預注預防、大幅減少化學漿用量、降低注漿成本，并分別在趙莊礦、長平礦、寺河礦進行工業性試驗，取得了較多成果[2-4]，但仍存在很多不足，本文針對深孔無機注漿技術關鍵和制約因素展開探討，以期能對深孔無機注漿技術發展提供參考。

1 深孔無機注漿技術提出背景

當工作面即將出現，或者已經發生片幫冒頂情況時，煤礦多采用化學漿注漿加固，如馬麗散、波雷因等，化學漿反應速度快，強度增長快，黏接性強，注漿加固效果良好，但存在如下問題：

1) 擴散半徑小，只能在采面內進行，施工緊張，影響生產。2) 停采將會引起煤壁和頂板破壞范圍、程度增大，化學漿消耗量成倍增長。3) 為事故后處理措施，不是預防性措施。4) 注漿成本極高。5) 有毒有腐蝕性、反應高溫，易引起自燃。6) 影響煤質，對電廠設備造成損害。

因此，有必要開展工作面兩巷深孔預注漿加固技術研究，提前加固構造區煤壁和頂板，減小對回采的影響，減少化學漿使用量。

2 深孔無機注漿實施方式及技術關鍵

2.1 實施方式

針對構造區范圍、特點，超前切眼一定距離，在兩順槽相應位置向工作面內部施工超前深孔，覆蓋整個異常區及邊緣，注漿示意圖見圖1. 采用高性能無機注漿材料，在合適的注漿時機對構造區進行預注漿加固，提高煤壁、頂板完整性和強度，減少片幫、漏頂，提高工作面推進速度。

圖1 兩巷深孔注漿示意圖

2.2 技術關鍵

1) “淺層+深層”鉆孔布置方案。

淺層封閉：淺層煤巖體破碎，裂隙、錨桿索孔為主要漏漿通道，且作為工作面端頭應力集中區，需要進行注漿封閉加固，深度8 m左右。

深層擴散加固：在淺層封閉的基礎上，施工深孔，高壓劈裂注漿、充分擴散，對構造及邊緣薄弱區域進行加固。鉆孔布置方式見圖2.

圖2 “淺層+深層”鉆孔布置方式圖

2) 深孔鉆孔參數。

兩巷深孔注漿關鍵在于確定深孔鉆孔參數，包括開孔高度、深度、仰角、孔徑等。鉆孔直接決定了漿液流向和加固層位，對注漿效果影響極大。

鉆孔參數確定主要為鉆孔深度和鉆孔層位。鉆孔深度一般超過構造區邊緣10～20 m為宜；鉆孔層位以“控幫立頂”為加固原則，一般設計上、下兩排鉆孔，上排鉆孔加固頂板，提高頂板完整性，防止冒頂，下排鉆孔加固煤幫，提高煤幫強度，減少片幫。

鉆孔確定步驟：深孔無機注漿加固的煤幫和頂板并不是傳統意義上的煤層和直接頂。因為在工作面過構造，比如過斷層時，在斷層面附近機采高度范圍可能并不完全是煤，因此是以實際機采高度范圍為依據。在計劃進行深孔加固的區域，根據煤層底板等高線、鉆探結果等，每隔5 m做一個傾向剖面，在傾向剖面上繪制實際機采高度范圍，并依據鉆孔深度和層位布置原則，在剖面圖上繼續繪制鉆孔，確定鉆孔參數，見圖3.

圖3 鉆孔確定步驟圖

3) 注漿加固材料。

淺層封堵時，由于表層裂隙孔洞多，漏漿嚴重，要求速凝早強，漏漿能夠及時凝固。因此，研發了雙液無機速凝材料，分為A型和B型，使用時加水分別攪拌，水灰比(0.8～1.2)∶1，然后混合。混合漿1～3 min失去流動性，8～15 min完全硬化；2 h強度10 MPa，1 d強度15 MPa，3 d強度17 MPa.

深層注漿時，由于鉆孔深度大，裂隙發育程度低，必須采用超細材料配合高壓注漿。因此，研發了超細水泥單液注漿材料，細度1 000目以上，是普通硅酸鹽水泥的5～6倍，材料顆粒能夠進入微小裂隙；使用水灰比0.6∶1，加水攪拌后，40 min內流動度不小于220 mm，流動性良好，滿足深孔充分擴散要求，且不會發生水、料分離沉淀現象；2 h后逐漸膠凝，1 d強度22 MPa，3 d強度40 MPa. 注漿后材料強度迅速增長，滿足工作面快速推進需求。

兩種注漿材料售價0.4～0.5萬元/t，遠低于化學漿(>1.2萬元/t).

4) 合理注漿時機。

裂隙是漿液擴散通道，裂隙越發育，越容易擴散，反之越難擴散。

隨著工作面回采，在前方形成“移動”超前支承壓力區，影響范圍0～50 m，峰值位置在工作面前方5～12 m.

在超前支承壓力影響范圍以外，裂隙十分不發育，貫通性差，注漿壓力大注漿量小，且注漿結束后，進入超前支承壓力區再次破壞，不適合注漿；在工作面前方0～20 m，裂隙十分發育，貫通支架前方煤壁，可注性極強，但存在嚴重的工作面漏漿風險，難以封堵，造成注漿失敗，也不適合注漿。因此，工作面前方20～50 m為理論上的可注區域，且越靠近工作面，可注性越強，現場一般選擇在工作面前方20～30 m，隨著工作面推進，進行“移動注漿”。

3 深孔無機注漿技術限制因素

3.1 施工條件限制

工作面進風巷一般布置有設備列車、軌道，打鉆、注漿設備擺放和施工受到嚴重影響，有效施工時間短，效率低，提高了施工成本。高瓦斯礦井回風巷供電受時間有限，甚至不具備軌道運輸條件，給進料、施工帶來困難。

3.2 深孔鉆孔參數合理性

采用剖面法確定鉆孔參數，剖面主要依據煤層底板等高線，結合地測結果超前預測繪制，在剖面圖上進行機采高度范圍預測和鉆孔參數確定，需要結合地質、回采兩個要素。地質剖面準確程度直接影響鉆孔參數的準確性。根據目前探測手段，可以基本確定煤層底板等高線，但精確度較差，且回采時機采高度范圍會根據實際情況調整。因此，剖面圖準確性較差，提前確定的鉆孔參數難以信賴，并且深孔施工存在鉆桿下沉、偏移問題，鉆孔精度較差。

3.3 鉆孔無效長度大

當構造位于工作面邊緣臨近順槽時，深孔鉆孔大部分在構造區內，無效長度小。當構造位于工作面中部，且范圍較小時，深孔需要從順槽幫部開始，穿過大部分無效區域進入構造區，無效長度大，造成浪費。

3.4 鉆孔施工難度

深孔無機注漿最大難點在于鉆孔施工，注漿相對簡單。正常地質條件下鉆孔施工比較順利，當遇到負角度、軟煤、破碎帶等條件時，孔內排水、排渣困難，打鉆效率大幅降低，難以成孔，影響鉆孔精度。

3.5 無機注漿材料性能弊端

兩種無機注漿材料從反應速度、強度上，完全可以滿足堵漏、擴散需求，但是最大弊端在于黏接性差。化學漿能夠起到良好的加固作用，關鍵在于其黏接性能，將破碎煤巖塊黏接在一起形成整體，無機注漿材料缺乏黏接性，固結體抗拉性能差，在極破碎區域難以起到良好的加固效果。

4 解決思路

深孔無機注漿加固范圍大，機理為裂隙填充，提高整體強度，實現區域性改善，過分要求鉆孔精度意義不大。實踐證明，深孔無機注漿方式能夠降低70%左右的化學漿使用量，仍需使用一部分化學漿，不能完全替代。

受施工限制，深孔無機注漿方式難以普遍應用，當同時滿足3個條件時建議采用：1) 構造范圍較大，且必須通過。2) 具備打鉆施工條件。3) 打鉆注漿總費用低于化學漿費用。

5 結 論

深孔無機注漿技術是一項工作面片幫、冒頂提前預防技術，包括“淺層+深層”鉆孔布置方案、深孔鉆孔參數、注漿加固材料、合理注漿時機等，能夠實現區域性改善，大幅減少化學漿用量，減輕企業經濟負擔，是一項較為完整的加固技術。但存在鉆孔施工困難、鉆孔精度不足、鉆孔無效長度大、施工質量難以保障、漿液黏接性差等問題。深孔注漿并不能完全替代化學漿，應根據具體工程條件選擇加固方式。