斷層破碎帶注漿加固技術實踐

王守國

(中煤昔陽能源有限責任公司,山西 晉中 045300)

0 引言

我國煤炭資源豐富,煤炭在一次能源的消費中占有相當大的比重[1]。我國不同地區的煤礦開采條件錯綜復雜,在煤礦回采過程中往往會遇到大落差大傾角的斷層破碎帶,根據礦井的總體設計以及地表構筑物的影響,此類構造經常是無可避免的[2]。工作面回采過程中遇到的斷層等構造破碎帶往往會引起工作面上方冒頂、礦壓現象強烈甚至壓死支架,對工作面人員和設備存在很大的安全隱患[3]。因此,如何順利安全的通過工作面推進方向上不可避免遇到的斷層破碎帶是采礦工作者們面臨的一大難題。

近年來,隨著我國對煤炭能源的不斷需求以及采礦技術的不斷進步,越來越多地區的礦井開始向深層復雜地質構造的煤層開采[4],但斷層等構造破碎帶制約了煤炭資源的安全開采[5]。斷層破碎帶的存在使工作面原有的原巖應力狀態發生變化,回采工作面頂板來壓大[6],回采困難,容易造成瓦斯泄露與瓦斯超標甚至導致工作面透水,因此亟需采用一定的技術和手段對工作面推進方向上的斷層進行注漿加固,保證工作面的安全高效回采。關于斷層的注漿加固,部分學者已經取得了一定的研究成果。嚴國超等[7]對硫鋁酸鹽水泥注漿材料進行改性,通過流動度、力學性能測試和XRD、SEM等手段對材料的結構和力學性能進行測定,從微觀層面揭示了水溶性聚氨酯對材料的改性作用,應用于宏巖煤礦后現場實施效果證明該種材料具有良好的加固效果。張華磊等[8]對薄基巖的破斷機理進行了分析,對顧北礦的工作面的風氧化帶注漿加固技術進行了研究,從地面采用J型水平羽翼分支孔對風氧化帶進行注漿加固,采場上方構建了一層承載層,保證了工作面的安全回采。孫守義等[9]對發耳煤礦的軌道大巷圍巖變形、破碎嚴重、錨固結構極易失效的地段進行了注漿加固修復,注漿后巷道頂底板和兩幫的變形量明顯減小,巖裂隙基本被漿液充填,巷道變形基本得到控制。張進鵬等[10]以平煤十礦為工程背景,基于失穩機理探究裂隙巖體自應力漿液加固原理,研發出了新型高強預應力注漿錨桿系統,設計了破碎圍巖錨注支護方案,使破碎圍巖得到了良好的控制。

基于以上分析,以往的學者研究的重點大都集中于對破碎圍巖的機理、注漿機理、注漿材料的研究,對破碎帶的建模以及注漿工藝的研究相對缺乏。針對中煤昔陽能源有限公司白羊嶺煤礦15111工作面推進方向上遇到的DF10、DF11斷層的問題,提出對2個斷層采取注漿加固的方案。注漿能夠有效填補斷層之間的裂隙和孔縫,能很好解決工作面頂板的礦壓強烈現象,將破碎的圍巖重新膠結為一個統一的整體,保證工作面的安全高效回采。因此,對工作面推進方向上的斷層進行注漿加固,對于保證回采面上人員和機械設備的安全具有重要的意義。

1 工程概況

白羊嶺煤礦目前回采15111工作面,工作面基本情況如圖1所示。根據15111軌道順槽、15111膠帶順槽、15111底板巷及15111高抽巷實際揭露資料、順層鉆孔、三維地震勘探資料、槽波探測資料等分析,考慮工作面推進度,隨著15111工作面推采,將相繼進入DF11(∠67°H=16～18 m)正斷層、DF10正斷層組(落差達15 m),該斷層破碎區域從15111膠帶順槽側開始波及至15111軌道順槽側,DF11正斷層影響推采長度約104.7 m,DF10正斷層影響推采長度約51.9 m,傾向的影響范圍幾乎涵蓋了工作面全長,影響工作面推進長度約156.6 m。

圖1 工作面斷層情況

因此,從工作面順槽側開始布置注漿孔,選擇適合的注漿材料及注漿工藝,對斷層帶沿斷層破碎面進行長距離、大直徑、高壓、超前加固,對于保障15111工作面安全回采非常有必要,因此設計注漿加固區域是DF10和DF11所在的傾角大、落差大、對回采工作影響較大的斷層構造破碎區域進行局部的、有針對性的不飽和注漿。

2 模型建立

為了對工作面煤層的傾向、走向和斷層的傾角落差有一個更直觀更全面的認識,建立了工作面斷層的三維立體動畫模型和三維立體的實物模型。三維動畫模型如圖2所示,三維實物模型如圖3所示。

圖2 三維動畫模型

圖3 實物立體模型

圖3中黑色的部分代表煤層,灰色的部分代表斷層,從三維模型圖和實物立體模型圖不難看出,DF10和DF11這2個斷層存在于工作面推進方向上,且2個斷層的落差過大,采煤機硬過勢必會因頂板壓力過大而對工作面的人員和機械設備造成安全隱患,因此有必要對斷層進行注漿使其與煤巖體膠結成為統一整體。另外,三維模型的建立,也為注漿工藝的設計和注漿孔的布置提供了參考。

3 注漿管設計

3.1 現存注漿管的缺陷

采用注漿的措施來對構造破碎帶進行加固,可達到改善圍巖力學性質,增強圍巖整體性,控制圍巖變形的效果。隨著注漿工藝的不斷發展,主要衍生了注漿鋼管注漿和注漿錨索注漿2種方式,以往的注漿工藝存在的主要問題有兩方面。①傳統的注漿工藝中在用囊袋或專用封孔器注漿時,會不可避免地發生因封孔強度不夠而導致跑漿漏漿情況[11];②在對破碎帶進行長距離、大直徑、高壓超前加固過程中,在注漿孔內對采掘工程基本沒有影響的小的構造破碎帶也進行了注漿,造成了注漿材料的浪費。

3.2 自封孔式定向注漿鋼管設計

為解決現存的注漿鋼管存在的缺陷及問題,文中設計了一種自封孔式定向注漿鋼管,其桿體為剛性注漿鋼管,在其頭部設置有圓形的出漿孔,橡膠囊袋封孔器嵌套在注漿鋼管桿體上,使用時注入高壓水以此來達到封孔的目的,如圖4所示。

1-高壓水膠管;2-尾部橡膠囊袋封孔器;3-頭部囊袋封孔器;4-出漿孔;5-注漿管桿體

自封孔式定向注漿鋼管的注漿管桿體為頭部設計有出漿口的注漿鋼管,使用時注漿管內的漿料從出漿口泵出,實現定向注漿的目的;橡膠囊袋封孔器嵌套在注漿鋼管桿體上,出漿口兩側各嵌套一個橡膠囊袋封孔器,2個橡膠囊袋封孔器之間通過高壓水膠管連接,使用時注入高壓水使橡膠囊袋封孔器膨脹貼緊注漿孔壁和注漿鋼管以達到封孔的目的。

3.3 使用方法

自封孔式定向注漿鋼管的使用方法如圖5所示。首先,在巷道內沿工作面方向傾斜向上布置注漿孔,注漿孔的深度滿足穿過斷層。接著,將自封孔式定向注漿管伸入注漿孔內,其伸入的深度要滿足出漿孔位于斷層所在位置,頭部橡膠囊袋封孔器穿過斷層,尾部囊袋封孔器在斷層位置之后。最后,通過高壓水膠管向囊袋內注入高壓水,使所述頭部高壓水封孔囊袋和尾部高壓水封孔囊袋緊貼注漿孔孔壁,以此達到封孔的效果。

1-高壓水膠管;2-尾部橡膠囊袋封孔器;3-頭部囊袋封孔器;4-出漿孔;5-注漿管桿體;6-高壓水;7-巖體;8-煤體;9-斷層裂隙帶;10-注漿孔;11-回采巷道

3.4 自封孔式定向注漿鋼管優點

采用高壓水注入橡膠封孔囊袋中,可以通過調節高壓水的水壓對注漿孔進行封孔,從而避免跑漿漏漿問題;漿料從注漿管的出漿口泵出時可以通過頭部橡膠囊袋和尾部橡膠囊袋對漿料進行隔離,高壓漿料只能被注入斷層破碎帶,從而實現對斷層破碎帶的定向注漿;在對破碎帶進行長距離、大直徑、高壓超前加固過程中,在注漿孔內的漿料不會注入對采掘工程基本沒有影響的小的構造破碎,從而達到節省注漿材料的目的。

4 注漿技術方案

4.1 注漿材料

目前國內外用于注漿加固的材料可以分為水泥漿料和化學漿料2種[12]。水泥漿材結石強度高、來源豐富、工藝簡單、成本低,但這種漿液在使用過程中容易產生離析和沉淀,并且水泥料顆粒度大,難以注入巖層的細小孔隙中。化學漿液可注性好,能注入煤巖體中的細小孔隙中,但化學漿液性能差異大,材料強度有限、成本高,且部分化學漿料具有毒性。

通過對水泥漿料和化學漿料對比分析后,本次注漿選用JDAQ-4型無機充填加固材料,該種材料屬于水泥類注漿料,具有初凝快、無收縮、微膨脹、高滲透、高流動、高強度、高折度、不含化學物、溫度低、抗腐蝕的特點。筆者對JDAQ-4材料的抗壓強度、抗折強度、粘合度和流動度等參數進行了測定,測定結果見表1。

表1 JDAQ-4材料性能指標

4.2 注漿孔布置

結合以往工程實例中JDAQ-4材料的應用,該種材料的漿液擴散半徑為3.0～4.0 m。此次主要是對15111工作面的DF11和DF10斷層進行注漿加固,為確保漿液更好擴散從而對斷層進行封閉,此次注漿在15111膠帶順槽側和15111工作面內布置注漿孔,對斷層落差大的地方進行不飽合注漿加固。

4.2.1 DF11斷層注漿孔布置

為保證綜采工作面安全地通過DF11斷層,在15111膠帶順槽內布置注漿孔,對DF11斷層進行注漿加固。注漿孔單排布孔,間距1.8 m,鉆孔施工角度根據現場及時進行調整。鉆孔施工的長度以穿越DF11斷層面附近4 m巖或6 m煤為準。膠帶順槽側注漿孔平面布置如圖6所示,DF11斷層注漿孔布置參數見表2。

表2 DF11斷層注漿孔布置參數

圖6 DF11斷層注漿孔布置

4.2.2 DF10斷層注漿孔布置

為保證工作面安全通過DF10斷層,在15111膠帶順槽內布置傾斜注漿孔,鉆孔按單排布孔,孔距1.0 m。鉆孔施工傾角根據現場實際情況進行調整。鉆孔以實際見煤3～5 m后退鉆桿,膠帶順槽側注漿孔布置平面圖如圖7所示,膠帶順槽側注漿孔參數見表3。

表3 加固DF10斷層注漿孔布置參數表

圖7 DF10斷層注漿孔布置

4.3 注漿工藝

根據白羊嶺煤礦的煤巖體各項物理參數測定的結果以及以往工作面注漿加固的工程實際情況,注漿壓力控制在8～10 MPa進行注漿。具體施工工藝為:標記鉆孔位置→布置鉆機、調整角度打孔、鉆孔完畢后退出鉆桿、鉆頭壓風排渣→鉆孔內采用花管護孔→安裝注漿管、注漿管螺紋端外露150 mm→封孔(囊袋封孔)→安裝孔口截止閥→連接注漿系統制漿開泵注漿至終壓穩定→停泵,關閉孔口閥→拆除注漿系統,移至下一個注漿孔,單孔注漿結束。

4.4 注漿效果

采用無機加固材料對工作面推進方向的斷層加固,可提升頂板的穩定性,使煤巖體節理被填充,膠結成穩定的結塊。同時,該無機材料無發熱性,可減少遺煤自燃氧化風險,煤巖體形成穩定承載結構后利用工作面過斷層期間可快速推進。注漿加固后,對加固后的煤巖體進行取樣測試,實驗結果表明,斷層注漿加固后,粘結后的煤巖體的抗壓強度和抗折強度等各項性能參數均符合要求,能夠滿足工作面順利通過斷層破碎帶。

采取不飽合注漿的方式對15111工作面內落差較大的DF11和DF10斷層進行加固,可以使對工作面影響大的斷層有效膠結為統一的整體。根據工作面回采至DF10和DF11區域時,可以明顯的看到白色的注漿材料對斷層構造帶的圍巖裂隙和大的裂縫進行了填充,有效地將2個斷層破碎的圍巖膠結成了統一的整體;通過注漿加固后,工作面回采時未出現煤壁片幫、冒頂、液壓支架阻力增大、礦壓顯現異常等現象。

基于以上現場回采結果可知,注漿材料對斷層進行了良好的填充固化作用,保證了工作面順利的通過DF10和DF11斷層。

5 結論

(1)針對白羊嶺煤礦15111工作面推進方向上的DF11和DF10斷層加固技術進行了研究并應用于工程實際,注漿加固后能夠將斷層重新膠結為統一的整體,提高圍巖強度,對抑制頂板來壓異常效果顯著,具有很大的推廣和應用價值。

(2)針對15111工作面過斷層所面臨的頂板破碎的難題,設計自制了一種自封孔式的定向注漿鋼管并提供了其使用方法,實踐結果證明該種鋼管和注漿方法取得了良好的效果。

(3)選擇了JDAQ-4型注漿材料,并設計了合理的注漿參數,采用不飽和注漿的方式對斷層落差大的地方進行了注漿,解決了白羊嶺煤礦的實際問題,對以后類似過斷層的注漿加固工程提供了借鑒。