綜放過斷層無機注漿材料加固技術

曾祥斌

（晉城煤業集團，山西 晉城 048000）

目前注漿預防片幫主要使用高分子注漿材料，并且多采用在工作面煤壁的淺孔注漿技術，雖然效果較為明顯，但仍然存在諸多問題[1-2]。首先，高分子加固材料在反應時釋放大量熱能，使煤體有自燃的隱患；其次，摻入的阻燃劑中氯、溴等元素，在高溫條件下會產生有毒有害的煙霧；然后，高分子注漿材料價格昂貴，工程造價高；最后，聚氨酯類高分子注漿材料固化時間短的特性只能適用于淺孔注漿[3-5]。與高分子注漿材料相比，新型無機注漿材料擁有更加優越的性能，其固化速度、固結強度、強度增長規律等特性均可與高分子材料媲美，卻沒有上述高分子材料的缺陷。新型無機注漿材料在趙莊二號井2301工作面綜放工作面煤壁注漿中得到了應用，取得了預期效果。

1 工程概況

趙莊二號井西翼盤區的2301工作面主采3#煤層，工作面地質條件中等，斷層較為發育。根據工作面順槽巷道揭露情況及三維解釋結果，工作面會先后揭露正斷層F114、DF22、JDF88、JDF87、F112、F111、F110。巷道局部煤層節理發育，尤其是構造區域附近，煤層松軟破碎，易片幫冒頂。中部正斷層DF22走向NE，傾向SE，傾角50°，斷距0～10m，順槽掘進期間揭露位置103～280m；正斷層JDF88走向NE，傾向SE，傾角50～55°，揭露位置240～333m，對工作面回采影響較大，是此次注漿加固的重點。工作面布置及斷層分布圖見圖1。

圖1 工作面布置及斷層分布

2 新型無機注漿材料

材料的顆粒細度、漿液黏度、漿液穩定性、固結體耐久性等特性都是影響注漿加固效果的主要因素。注漿材料配比的合理性是確保注漿效果的重要因素。新型雙液無機注漿材料由無機礦粉組成，不自燃，無毒害，是一種速凝、早強型的注漿材料，可注性較強，完全滿足巷道破碎圍巖、采掘工作面注漿加固需要。

新型雙液無機注漿材料分為單液和雙液兩種。

單液材料為超細水泥改性材料，是主要的注漿材料，具備良好的滲透性且易于施工，該材料使用水灰比0.6～0.8:1，24h強度能夠達到10MPa以上，3d強度可達25MPa。

雙液材料作為封孔材料，兩種漿液在混合前6h內不凝固，不泌水，不沉淀；兩種漿液混合后，0～5min失去流動性，5～15min完全固化。注漿后，經檢驗1h煤體固結抗壓強度5.2～5.8MPa，抗剪強度1.3～1.7MPa； 8h煤體固結抗壓強度11.8～12.9MPa，抗剪強度2.5～2.8MPa，粘結強度2MPa以上。漿液在0.5～2:1水灰比下漿體結石率可達100%。漿液擴散范圍廣，擴散半徑可達3～6m，注漿加固效果好。試樣2h的強度能達到8～15MPa以上。

3 注漿加固方案

本次注漿加固在23012巷向工作面煤體布置深孔，孔深應超過斷層10m；根據“控幫立頂”的指導思想，控制的重點在于工作面機采高度和機采高度上方頂板。同時采用新型無機注漿材料，配合高注漿壓力，使漿液能夠擴散、滲透到細微裂隙中，保證注漿加固效果。通常斷層處煤壁裂隙比正常區域的煤壁裂隙發育，極易發生漏漿，導致無法達到預期的注漿效果。因此注漿采用淺孔封堵，深孔注漿的方案，即先用雙液料淺孔注漿，防止在注漿過程發生漏漿，再用失流時間長的單液料進行深孔注漿。

3.1 鉆孔布置

進行注漿之前，需要施工相應的鉆孔，施工地點在23012巷斷層影響較大的區域。

從切眼向外依次布置，平均5m一個，預計37個鉆孔，依次編號為1#、2#、……、37#。鉆孔布置上、下兩排，呈三花布置。下排孔開孔高度距離底板1.1m，鉆孔間距10m，孔深20～40m，仰角6～10°，下排孔主要控制機采高度范圍。上排孔距離底板2.0m，孔深50～70m，仰角7～12°，鉆孔間距10m，上排孔終點位置在機采高度上方1m左右的頂板內，孔徑均為75mm。見圖2、圖3。

圖2 鉆孔布置平視圖

圖3 鉆孔布置剖視圖

3.2 注漿封孔

注漿封孔的長度和質量對注漿效果有影響，此次注漿封孔采用“兩堵一注”的封孔方法，即堵住兩頭，中間灌注漿液的方法。 封孔使用水灰比0.6:1～0.8:1的雙液注漿材料。

注漿管路采用“6分無縫鋼管+PVC管”組合方式，鋼管和PVC管均加工成2m/根，插管長度盡可能長。對于孔深≤20m，插2根鋼管，其余采用PVC管，封孔長度2～4m；對于孔深≥20m，插5根鋼管，其余采用PVC管，封孔長度10m；孔深≥50m，插5根鋼管，其余采用PVC管，封孔長度10m，要求內部5根PVC管開射漿孔，每根5個射漿孔，孔徑10mm。

3.3 工藝參數

（1）注漿壓力。注漿時需要考慮漿液在管路中流動受到的沿程阻力以及在煤體的裂隙中流動時的摩擦阻力等因素。注漿壓力過小，不能保證漿液到達預定位置；注漿壓力過大，漿液會在煤壁中形成新的破裂面，且將會貫穿阻力小的裂隙，形成大的裂隙造成大量跑漿。綜合考慮工作面斷層帶處煤體的承受能力和裂隙發育程度，設定注漿壓力8～20MPa。

（2）注漿量。注漿量應保證被注區域在注漿后有明顯的加固效果，設計時要考慮鉆孔長度、注漿壓力、煤體裂隙發育程度、煤體破碎狀況及滲透性等因素。如果過量注漿，漿液被壓入煤體完整的區域，會造成新的裂隙，反而降低煤體整體強度。預計每個孔注漿量為2t。

（3）防漏漿技術。注漿遇到漏漿情況時，暫停注漿泵，或調整節流閥，降低注漿速度，用棉紗堵漏，或者換注雙液漿一段時間，堵漏后換回單液漿。

3.4 注漿時機

原巖應力區內煤體完好，可注性較差，如果在原巖應力區進行注漿，會導致煤體內裂隙發育增多，可能降低煤體強度，此外之后回采過程中，原巖應力區會承受采動支撐壓力，此時加固后再次破壞后，這段區域就會失去注漿效果。而在應力增高區進行注漿，大大增加了注漿的難度。因此，應當選擇在應力增高區末端和應力降低區全段注漿。基于以上分析，在工作面遭遇斷層前50m進行注漿加固。見圖4。

圖4 采場支撐壓力分布情況

3.5 注漿系統

注漿系統由ZBYSB100/20-18.5液壓注漿泵、兩個氣動攪拌桶QB260、兩個盛漿桶、配套管路以及混合器組成。見圖5。

系統設計中，單雙液均采用相同的注漿系統，即均設置兩個氣動攪拌桶，其優點：雙液注漿確保了兩種漿液各自均能充分攪拌，混合后使AB料充分反應；單液配備雙攪拌桶可以實現連續不間斷注漿。

圖5 注漿系統

4 效果分析

注漿鉆孔37個，65.6t，平均注漿壓力10～11MPa。水灰比0.6～0.7:1，換算使用漿料108t，漿液密度1.8t/m3，有效充填裂隙約60.1m3。

注漿后進行礦壓監測，通過對斷層實際揭露情況、注漿后工作面片幫等情況來分析此次注漿效果。推進度140～300m是斷層影響較大區域，通過此區域后，由于斷距減小，斷層對工作面回采影響逐漸減小。在此區域內，僅發生2次頂板破碎、冒落現象，連續架次不超過5架，冒落高度不大于1.5m，均發生在支架上坡揭露下盤煤位置，由于煤體強度較低導致煤壁片幫較為頻繁，多發生在機頭全煤區域，但片幫深度一般在0.5m左右，片幫位置頂板完整，對回采影響較小，基本上實現了工作面順利過斷層。

結果表明，新型無機注漿材料性能滿足要求，注漿工藝參數合理，取得了良好的注漿效果。

5 結論

（1）新型高分子無機注漿材料在性能上完全可以媲美傳統高分子材料并且成本低。在趙莊2號井2301工作面過斷層煤壁深孔注漿加固中得到了良好的應用，具有很高的經濟實用價值。

（2）通過注漿數據分析，過斷層深孔注漿方案有效預防了工作面過斷層煤壁片幫冒頂等安全隱患，為其他相近工程提供了經驗。

（3）井下注漿系統的不斷優化，提高了工程效率，保證了工程質量，有良好的應用前景。