工作面上覆風(fēng)化帶巖層地面注漿加固效果分析

余 巖，王傳兵，徐燕飛，袁本慶

(1.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

淮南潘謝礦區(qū)厚松散含水層下薄基巖開采條件的煤炭資源近3億t，一些采場頂板為強風(fēng)化、弱承載能力的薄巖層，采場開采初期頂板礦壓顯現(xiàn)劇烈，開采過程中水害問題突出，近十余年來已出現(xiàn)多起壓架及涌水事故。為此，通過注漿改變薄基巖采場風(fēng)化帶頂板的物理力學(xué)性質(zhì)，減小支架受載，實現(xiàn)有效封水等措施成為淮南礦區(qū)薄基巖采場安全回采的新途徑。注漿加固頂板分為井上、井下兩種，采取井下措施對頂板注漿加固，受到時間和空間的限制，既影響采煤工期，又難以實現(xiàn)大范圍頂板注漿加固。目前，國內(nèi)采用地面定向鉆孔方式用于抽采瓦斯已在一些礦區(qū)得到成功實踐[1-6]。在煤巖層注漿改性、防堵水工程中，地面定向鉆孔技術(shù)也有成功案例[7，8]。榮傳新等[9]對地面鉆孔注漿加固井底車場頂板巖石的可注性進行研究，得出通過地面鉆孔水平段注漿加固巷道頂板巖層是可行的，并在淮北信湖煤礦進行了工程實踐。程樺等[10，11]通過理論分析、數(shù)值計算等方法，系統(tǒng)研究了地面鉆孔注漿壓力、注漿量與注漿影響半徑的關(guān)系，量化地面注漿鉆孔的考察指標(biāo)。涂敏等[12，13]研究了薄基巖采煤工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)、壓力傳遞、裂隙發(fā)育及采場礦壓顯現(xiàn)等內(nèi)容。

分析以上文獻可以看出，地面定向鉆孔施工技術(shù)已日趨成熟，地面鉆孔用于瓦斯抽采、加固地層，已有成功案例，并研究了地面鉆孔注漿的可行性、注漿參數(shù)，取得了重要的研究成果，但對于地面鉆孔注漿加固后的效果考察研究較少。本文以淮南礦區(qū)顧北煤礦1512(3)工作面為研究背景，通過地面定向鉆孔技術(shù)，對工作面頂板風(fēng)化帶進行注漿加固。綜合理論分析、力學(xué)實驗、工業(yè)性試驗等相結(jié)合的研究方法，對薄基巖采場風(fēng)化帶加固前后頂板結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性、回采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了分析，研究了地面定向鉆孔對厚松散含水層下薄基巖開采條件的加固效果。

1 工作面概況

顧北煤礦1512(3)工作面開采煤層為13-1煤，走向近南北，單斜構(gòu)造，煤層平均傾角5°，工作面俯斜開采，面長195m，走向長度391.6m，平均煤厚5.4m。鄰近13-1煤層工作面回采時，出現(xiàn)過壓架、出水事故，切眼附近十二—十三1孔地質(zhì)資料如圖1所示。由圖1可知，13-1煤層埋深476m，煤層厚度5.45m，中間有一層夾矸0.4m，上覆17.85m細砂巖(夾雜砂質(zhì)泥巖)，往上25.8m受風(fēng)化帶影響區(qū)域(其中18.3m強風(fēng)化帶)，松散含水層與風(fēng)化基巖面交界處標(biāo)高-433m。類似地質(zhì)條件淮南礦區(qū)已發(fā)生多起壓架事故，如顧北煤礦1202(3)工作面、潘三煤礦17110(3)工作面、潘一煤礦1402(3)和1602(3)工作面，為了保證顧北煤礦1512(3)工作面安全回采，開展了工作面上覆風(fēng)化帶巖層地面加固試驗。

圖1 鉆孔綜合柱狀圖(m)

2 理論分析

文獻[14]通過對皖北礦區(qū)祁東煤礦鄰近松散承壓含水層開采工作面壓架機理進行了研究，表明松散承壓含水層條件下，由于承壓水的流動性和補給作用，上覆表土層的載荷通過松散承壓含水層均勻地作用于下部基巖上，松散承壓含水層的載荷傳遞作用，導(dǎo)致薄基巖條件覆巖關(guān)鍵層易產(chǎn)生復(fù)合破斷，引起基巖的整體破斷和砌體梁結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)。文獻[15]采用相似模擬試驗研究了松散含水層下方的薄基巖采場在單一關(guān)鍵層和雙關(guān)鍵層條件下的覆巖移動特征及支架受力狀態(tài)，表明采場覆巖僅有一層關(guān)鍵層時，隨著工作面的回采，在松散含水層的載荷傳遞作用下覆巖大范圍的垮落下沉作用于下方支架，支架受力較大，易發(fā)生壓架事故；采場覆巖中有兩層關(guān)鍵層時，垮落至高位關(guān)鍵層時形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能將松散含水層傳遞的上覆沖積層載荷轉(zhuǎn)移遠離工作面支架，改善支架受力狀態(tài)。

單一關(guān)鍵層支架圍巖作用關(guān)系如圖2所示，該條件下支架工作阻力P1計算公式為：

P1=(QZ+QB)Kcosα

(1)

式中，QZ為直接頂作用在支架上的荷載；QB為直接頂以上地層作用在支架上的載荷，包括了QL和QS；α為煤層傾角；K為安全系數(shù)；QL為基本頂破斷塊B的自重；QS為松散含水層傳遞至基巖面的荷載。由于單關(guān)鍵層無法在支架上方形成保護結(jié)構(gòu)，破斷巖層以整體切落的形式作用于支架，所以支架將要承擔(dān)較大部分的QS，記為ξ1QS，ξ1接近于1。

圖2 單一關(guān)鍵層支架圍巖作用關(guān)系

雙關(guān)鍵層支架圍巖作用關(guān)系如圖3所示，該條件下支架工作阻力P2計算公式為：

P2=(QZ+QB)Kcosα

(2)

式中，QB=QL+Wγ∑h3l+ξ2QS，高位關(guān)鍵層形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)能將QS中較大部分載荷傳遞至遠離工作面的地方，由支架所承擔(dān)的該部分荷載將大為減小，將其記為ξ2QS，其中ξ2遠小于1。

圖3 雙關(guān)鍵層支架圍巖作用關(guān)系

可見，當(dāng)薄基巖中有兩層關(guān)鍵層時，關(guān)鍵層破斷周期來壓時液壓支架受力大幅度的減小，改善工作面覆巖承載結(jié)構(gòu)是保障鄰近承壓含水層薄基巖采場安全回采的有效方法之一。1512(3)工作面剖面如圖4所示，根據(jù)工作面地質(zhì)條件，初采60m范圍內(nèi)工作面頂板為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，對風(fēng)化帶巖層實行地面鉆孔注漿加固，使其滲透能力降低、承載能力增大，人為構(gòu)造一層遠距離關(guān)鍵層，形成工作面上方雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)。這樣當(dāng)工作面基本頂(低位關(guān)鍵層)周期性破斷時，由于上位巖層中存在一層因注漿而強度增大的巖層，能夠很好地承載上部松散承壓含水層所傳遞下來的載荷，其破斷后能夠形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，繼續(xù)保護下覆采場的安全。

圖4 工作面剖面圖

3 風(fēng)化帶地面加固試驗

根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料分析，1512(3)工作面切眼至回采方向60m范圍，基巖風(fēng)化嚴(yán)重，回采初期出現(xiàn)壓架事故的可能性較大，因此地面鉆孔對工作面頂板風(fēng)化帶注漿范圍為200m(面長)×60m(初采階段)，以工作面回風(fēng)巷(深度為440m，與風(fēng)化基巖頂界面距離為18m)為注漿起點，以工作面運輸巷上方(深度為445m，與風(fēng)化基巖頂界面距離為15m)為注漿止點，地面注漿鉆孔布置如圖5所示。

圖5 地面注漿鉆孔布置

設(shè)計地面鉆孔4個，井下分支鉆孔2個，共計鉆孔量2940m。直孔段和造斜段下入石油套管固井，水平段不下套管，通過水平段裸孔每30m注漿一次。為從整體上了解注漿情況，計算理論注漿量Q，如下式：

Q=λVηβ/m

(3)

式中，λ為漿液損失系數(shù)，取1.1；V為注漿體積，按200m×60m×30m計算為360000m3；η為裂隙率，取8%；β為充填率，取0.8；m為漿結(jié)石率，取0.9，計算注漿量28160m3，理論計算水泥用量21120t。

4 地面鉆孔注漿效果分析

注1號孔各段注漿情況見表1。注1號孔水平段分4個階段注漿，終壓均大于10MPa，穩(wěn)定時間大于20min，實際注漿量5320m3，使用水泥量4077.2t。按同樣的方法，統(tǒng)計了其余各孔注漿情況，累計注漿量30252m3，使用水泥量23203t，達到了預(yù)計水泥用量。

表1 注1號孔各段注漿情況

工作面取芯鉆孔布置如圖6所示，為更加全面地考察地面注漿鉆孔對1512(3)工作面頂板風(fēng)化帶巖石的注漿效果，結(jié)合地面地質(zhì)鉆孔、注漿鉆孔的地質(zhì)資料和工作面布置的18個取芯鉆孔資料，進行了綜合分析，取芯鉆孔的施工在地面注漿工程后實施，其中6—10號孔位于切眼頂板，距定向鉆孔主孔水平段約15m。

圖6 1512(3)工作面取芯鉆孔布置

4.1 風(fēng)化帶巖石成分實驗室分析

以切眼處的頂板取芯巖樣為分析對象，制備試樣采用XRD衍射技術(shù)分析巖樣中的成分。結(jié)果反映出，頂板風(fēng)化帶巖石的成分主要為高嶺石、蒙脫石、水云母、地開石等膨脹性遇水易崩解的巖石，以及鉀長石等，遇水后呈碎屑與泥狀混合介質(zhì)。在切眼處頂板以上27～28m層位的巖樣中檢測出了鈣礬石成分，表明漿液已自主孔滲透至15m以外。

4.2 風(fēng)化帶巖石注漿前后微觀結(jié)構(gòu)對比分析

采用SEM電鏡對風(fēng)化帶注漿前后的巖石試件進行觀察，試驗前使用砂輪機對試件表面進行打磨，直至觀察不出差異為止。電鏡掃描結(jié)果如圖7所示，對比注漿前后電鏡掃描圖可知，注漿后水泥漿液通過擠密和高壓劈裂的作用，對風(fēng)化帶巖石的孔隙、裂隙進行了填充，注漿后巖體更加密實，膠結(jié)性更強。

圖7 電鏡掃描圖(2000倍、20με)

4.3 鉆孔窺視成像技術(shù)分析注漿效果

采用CXK6礦用鉆孔窺視儀對切眼10號取芯孔的孔壁進行成像分析。窺視結(jié)果顯示，切眼頂板以上15.8m處形成了泥狀膠結(jié)頂板，窺視儀無法進入，注漿在該層位形成了隔水膠結(jié)層，如圖8所示。

圖8 切眼頂板注漿后的巖芯

4.4 取芯巖石實驗室力學(xué)試驗

在1512(3)工作面布置18個取芯鉆孔，進行了抗拉、抗剪、抗壓試驗，并對比分析風(fēng)化帶巖石注漿前后力學(xué)性能變化，試驗結(jié)果見表2。

以切眼9號孔取芯試件的試驗數(shù)據(jù)為例，孔深22.4m以后進入風(fēng)化帶，頂板中厚度4.0m的細砂巖抗壓強度達到67.1MPa，為工作面回采時老頂控制層。風(fēng)化帶很難取出較大巖芯，通過對不規(guī)則的巖芯進行抗剪試驗，結(jié)果顯示未注漿加固段巖石平均抗剪強度為3.2MPa，注漿加固段巖石平均抗剪強度4.5MPa，平均抗剪強度提高了40.6%；同時粘聚力和內(nèi)摩擦角注漿后均有提高，說明注漿后風(fēng)化帶巖石強度增大，整體穩(wěn)定性增強。

表2 風(fēng)氧化帶巖石取芯抗剪試驗數(shù)據(jù)表

4.5 工作面回采時礦壓顯現(xiàn)特征

為動態(tài)監(jiān)測工作面回采過程礦壓顯現(xiàn)特征，在工作面上部、中部和下部共布置13條測線，26個壓力分機，每5min記錄一次支架的工作阻力。在記錄周期內(nèi)，共監(jiān)測到1次頂板初次來壓和12次周期來壓，記錄了支架來壓前和來壓時的工作阻力。結(jié)合每次頂板來壓時來壓步距，得出頂板來壓時平均阻力與步距相關(guān)關(guān)系，如圖9所示。

圖9 頂板來壓時支架平均阻力與來壓步距關(guān)系

礦壓分析結(jié)果顯示工作面初次來壓步距31.5m，支架平均阻力11228.6kN，隨著工作面回采頂板周期來壓步距和支架平均阻力均有減小趨勢，在第3次、第6次、第12次頂板來壓，分別對應(yīng)工作面回采61.39m、102.3m、177.58m，支架平均阻力均相對較大，說明老頂在周期垮落后，在較遠處存在關(guān)鍵承載層，也出現(xiàn)周期性垮落。

圖10 頂板來壓時支架平均阻力

13次頂板來壓各支架的平均阻力如圖10所示，各支架受力大小差異較大，工作面中部支架平均阻力明顯大于上部和下部，并表現(xiàn)出中下部支架阻力大于中上部支架阻力，工作面支架選用ZZ13000/24/50型支架，高度2.4～5.0m，支護初撐力1028kN，支護工作阻力13000kN。支架233個循環(huán)末的阻力均值見表3，支架整體平均利用率50.2%，最大阻力13016.3kN，出現(xiàn)在頂板初次來壓中部55#支架處，支架整體上滿足了工作面回采頂板控制需要，未出現(xiàn)壓架事故，回采初期未出現(xiàn)大范圍涌水現(xiàn)象，順利采出煤炭6.7萬t。

表3 工作面不同部位支架循環(huán)末阻力均值

5 結(jié) 論

1)薄基巖采場未加固前，由于老頂上方無堅硬巖層，在老頂周期性斷裂期間由于頂板無法形成有效的承載結(jié)構(gòu)，覆巖重量全部作用在采空區(qū)和工作面支架上，是采場壓架事故的主要原因?；夭沙跗陧敯蹇缏浜螅喜亢畬佑咳牍ぷ髅?，嚴(yán)重影響工作面推進，是厚松散含水層下薄基巖條件難以安全開采的重要原因。

2)通過對風(fēng)化帶注漿前后巖石成分實驗室分析、微觀結(jié)構(gòu)對比、鉆孔窺視成像、取芯實驗室力學(xué)試驗、工作面回采時礦壓顯現(xiàn)特征等方面進行了效果考察，采用地面定向鉆孔注漿加固風(fēng)化帶地層，達到了預(yù)期效果，是厚松散含水層下薄基巖條件下安全開采的重要技術(shù)手段之一。