趙莊二號井2309工作面構造區注漿加固技術研究

王全明,邢 超

(山西晉煤集團趙莊煤礦,山西 長治 046608)

趙莊二號井是晉煤集團的生產礦井,井田范圍內開采3#煤層。西翼盤區為礦井新開拓盤區,地質資料缺乏。由于井田西翼范圍內煤層強度低,節理、裂隙發育松軟破碎,加上趙莊二號井井田范圍內地質構造比較復雜,受地質構造運動影響比較明顯,斷層、陷落柱、破碎帶等特殊地質構造比較發育,工作面回采過程中安全問題突出。

趙莊二號井2309工作面走向長1 500 m,傾斜長160 m,煤層為3#煤層,平均厚度為4.2 m。工作面布置如圖1所示。

圖1 2309工作面布置圖Fig.1 Layout of No.2309 working face

根據工作面物探和鉆探結果,JDF70正斷層、JDX16、X40、X41和X42四個陷落柱對工作面回采影響較大;JDF69和F119斷層對巷道影響較大,斷層及陷落柱的位置如圖2所示。將JDF69斷層單獨劃分為為1#加固區;將JDF70斷層單獨劃分為為2#加固區;將F119斷層單獨劃分為3#加固區;將JDX16陷落柱單獨劃分為4#加固區;將X40、X41、X42陷落柱劃分為5#加固區。由于斷層區、陷落柱和異常區附近一般煤巖體破碎,在工作面回采至該區域時容易出現片幫冒頂,因此需要對該區域進行注漿加固。結合槽波探測結果,對2309回采工作面不同構造的異常區域,分別設計注漿加固方案,確定合理的巷道及工作面構造區注漿鉆孔參數、注漿加固工藝和技術,并進行加固效果監測,控制片幫冒頂的發生,保證回采工作面的安全開采[1]。

圖2 2309工作面構造分布圖Fig.2 Tectonic distribution of No.2309 working face

1 注漿加固方案

根據各個加固區對工作面影響程度,結合礦方要求,僅對4#加固區和5#加固區進行加固,預計加固范圍200 m。兩處加固區域均采用淺孔和深孔結合的注漿工藝[2]。

1.1 4#加固區注漿加固方案

4#加固區為JDX16陷落柱。由于鉆探顯示陷落柱內較為破碎,為保證工作面回采安全,在工作面兩側23091和23092巷對穿鉆孔,對陷落柱內外破碎區進行整體注漿加固。分別在23091巷和23092巷布置鉆孔,鉆孔布置投影如圖3所示。

圖3 4#加固區鉆孔布置投影圖Fig.3 Projection of drilling hole layout in No.4 reinforcement area

注漿加固主要在23091巷和23092巷道內實施。其中23091巷道的注漿加固范圍是與2103巷交叉口800～880 m,共80 m范圍。由于聯邦加固單液注漿材料流動性好、擴散范圍大,為避免深孔注漿時大范圍漏漿造成注漿終止,因此在深孔注漿前,先進行8 m淺孔封閉。結合以往注漿加固經驗,淺部注漿鉆孔分兩排布置,呈矩形,上排距底板2 m,下排距頂板1 m,間距均為2 m,垂直巷(煤)幫開孔,共布置82個鉆孔,孔徑均為42 mm。鉆孔布置平面圖如圖4所示。

圖4 4#加固區23091巷淺孔鉆孔布置圖Fig.4 Layout of shallow drilling holes in No.4 reinforcement area of 23091 roadway

深孔鉆孔布置為上下兩排,上排孔開孔高度距離底板1.5 m,鉆孔間距10 m,孔徑75 mm;下排孔開孔高度距離底板0.8 m,鉆孔間距10 m,孔徑75 mm,仰角為0～1.5°。距離與2103巷交叉口800 m位置為1#鉆孔,共布置17個鉆孔,鉆孔布置如圖5所示。

圖5 4#加固區23091巷深孔鉆孔布置圖Fig.5 Layout of deep drilling holes in No.4 reinforcement area of 23091 roadway

23092巷施工范圍:與2103巷交叉口800～880 m,共80 m范圍。8 m淺孔布置方式與23091巷一致。深孔布置方式:鉆孔布置方式、間排距級孔徑與23091巷一致,上排孔距底板2 m開孔,下排孔距底板1 m開孔距離,仰角為1.5～2°。與2103巷交叉口800 m位置為1#鉆孔,共布置17個鉆孔,鉆孔布置平面圖如圖6所示。

圖6 4#加固區23092巷鉆孔深孔布置圖Fig.6 Layout of deep drilling holes in No.4 reinforcement area of 23092 roadway

1.2 5#加固區注漿加固方案

5#加固區影響范圍極大,計劃甩過重掘切眼,在23092巷撤架。第一階段工作面停采線附近20 m區域煤體預計較為破碎,為保證順利停采撤架,需要對停采線附近20 m區域煤體進行兩巷深孔注漿加固。鉆孔布置投影如圖7所示。

圖7 5#加固區鉆孔布置投影圖Fig.7 Projection of drilling hole layout in No.5 reinforcement area

5#注漿加固區的淺孔注漿和深孔注漿的鉆孔的孔深和開孔高度等參數與4#加固區一致,僅僅在鉆孔數量和施工范圍方面不同。23091巷施工范圍自與2103巷交叉口580～600 m,共20 m范圍,共布置22個淺孔注漿鉆孔,孔徑均為42 mm。深孔注漿鉆孔布置在距離與2103巷交叉口580 m位置為1#鉆孔,共布置5個鉆孔。23092巷施工范圍和鉆孔數量及參數與23091巷道一致。

2 鉆孔施工及注漿工藝

2.1 鉆孔工藝

如鉆孔成孔良好,一次成孔率高,則采用一次成孔方式。如出現異常區塌孔、卡鉆現象嚴重時,可以采用分段成孔方式進行。分段成孔方式的操作是：如遇破碎、卡鉆嚴重時,可以先退鉆,不必插管,利用法蘭盤對破碎區進行雙液快速注漿加固,然后進行套孔。采用分段成孔,施工分三個階段進行。

1)安裝固定套管。按照鉆孔設計參數,架設鉆機,先采用Φ133 mm鉆頭施工,施工至6 m時退鉆,安裝孔口套管并采用注漿固定。

2)淺層破碎帶鉆進及注漿。孔口套管安裝固定結束后,按照設計鉆孔參數架設鉆機,采用Φ75 mm鉆頭進行打鉆施工,施工至30 m時退鉆,并采用聯邦加固1號(雙液)材料進行淺層注漿護孔。

3)鉆進成孔、插管及封孔。打鉆成孔后,退出鉆桿,進行插管封孔工作。孔內插入直徑為32 mm的PE管作為漿液導流管，與此同時PE管還能起到孔壁支撐作用。孔口套管及安裝套管長度為4 m,直徑108 mm,由兩節組成,每節2 m,中間用接箍連接,以確保前階段注漿有效。套管末端焊接高壓法蘭盤,至少承受15 MPa的注漿壓力。

2.2 鉆孔及注漿設備

采用ZDY800煤礦用全液壓坑道鉆機,配套50 mm鉆桿80根,75 mm鉆頭若干。注漿設備:淺孔注漿采用2ZBQ40/11型氣動注漿泵,深孔注漿采用ZBYSB100/20-18.5 kW液壓雙液注漿泵1臺,QB260氣動攪拌桶2臺。

2.3 注漿材料

封孔采用聯邦雙液注漿材料,注漿以聯邦單液注漿材料為主,漏漿嚴重時可以與聯邦雙液材料交替進行。聯邦雙液注漿材料主要是無機雙液組分,可注性強。兩種組分在混合前6 h內不泌水,混合后10 min內初凝,1 h強度可達8 MPa,1 d后強度可達15 MPa;聯邦單液注漿材料同樣為無機組分,材料的流動性強,結石體率高, 24 h強度可達25 MPa以上,3 d強度可達35 MPa以上。

單液正常注漿水灰質量比0.6∶1,雙液正常水灰質量比為0.8∶1。注漿壓力對注漿效果影響較大,淺孔注漿壓力4～8 MPa,深孔注漿最大注漿壓力控制在12～15 MPa[3-4]。

2.4 施工工藝流程

注漿施工整體需要自里往外施工。自切眼向外施工,施工進度必須滿足工作面回采速度需要。深孔先打孔、封孔,暫不注漿,當進入工作面前方50 m以內時,再進行注漿[5]。同時按照以下流程進行:

1)安全檢查。施工前由當班安全負責人和工程負責人對現場進行安全檢查排除安全隱患后方可開工。

2)定眼位。根據設計,確定注漿鉆孔位置。

3)打眼。打眼嚴格執行定人、定鉆、定眼、定量的“四定”制度,操作人員應該注意力集中。

4)安裝注漿鋼管。按照設計要求,插入注漿鋼管,封孔段不能少于1 m。

5)封孔。按照設計要求,采用注漿泵向封孔段灌注注漿材料。

6)注漿。按照設計要求,連接注漿泵進行注漿,注漿過程應根據注漿情況,調整注漿壓力、流量等參數。

2.5 注漿效果分析

注漿后,對4#異常區注漿加固效果進行了考察。工作面順利回采,沒有大面積的片幫冒頂現象,工作面推進速度3.01～3.08 m/d,支架末阻力一般在2 300～2 580 kN之間;通過異常注漿加固區邊緣時,工作面沒有片幫,頂板大部分良好,僅有個別架出現漏矸掉渣現象,工作面推進速度2.5 m/d,為正常條件下的83%,推進速度較快,比正常區域略有增大。加固區域巷道變形量小,兩幫移近量最大為65 mm,頂板下沉量最大為95 mm。整體說明構造區域展開的注漿加固效果良好。

3 結論

注漿加固已成為復雜地質條件下圍巖控制的一種重要手段。本文結合趙莊二號井2309工作面實際地質條件,采取科學合理的注漿加固技術以及工藝參數,有效提高礦井破碎圍巖的整體性。本文進行了超前深孔注漿加固試驗,并總結了破碎煤巖鉆孔施工和注漿加固技術工藝參數,為同類礦井進行深孔注漿加固試驗提供了參考。