綜采工作面過正斷層深孔預注漿加固試驗

王軍平

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司，山西 晉中 045400）

煤礦常采用高分子化學漿進行緊急處理工作面片幫、冒頂，化學漿以其“閃凝”特性，取得了較好的效果。但是化學漿同樣存在價格貴、有毒、強腐蝕性、自燃問題，已造成多起事故[1-2]。晉煤集團自2015 年起開始研究深孔無機注漿加固技術替代化學漿，積累了豐富的經驗。2020 年起，陽泉集團也計劃開展深孔無機注漿加固技術，以期全部或部分替代化學漿，在下屬各礦井展開前期試驗。開元礦業公司9713 工作面為試驗工作面之一。

1 工程背景

開元公司9713 工作面井下位于七采區，所處水平為+420 m 水平，埋深359～460 m。可采走向長度1172 m，傾斜長220 m，煤層平均厚度5 m，走向上平均仰角4°，傾向上近水平，回風巷一側略高，平均傾角1°。采用走向長壁后退式綜合機械化一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板。布置2條回采巷道，一進一回通風方式。進風巷、回風巷均為矩形斷面，巷寬5.0 m，巷高3.7 m，均采用錨網索聯合支護。

在工作面內斷層、陷落柱十分發育，根據巷道揭露和槽波成果解釋，共發育有9 個斷層、11 個陷落柱。其中CF2 正斷層斷距超過4 m，對回采影響較大，影響范圍約為回采進度180～450 m。為了防止過斷層期間出現片幫、冒頂事故，必須提前進行加固處理。斷層位置如圖1 所示。

圖1 斷層與工作面位置關系

2 深孔預注漿方案

計劃開展順槽內深孔預注漿加固，基本思路是在斷層影響嚴重區，在順槽內向工作面中部施工深孔，提前注漿加固。方案關鍵點包括：加固范圍、深孔鉆孔參數、注漿加固材料、注漿工藝參數。

2.1 加固范圍

斷層影響范圍為回采進度180～450 m，但是在初始階段和末尾階段斷層逐漸尖滅，對回采影響很小，沒有必要加固。結合生產經驗，面臨的主要問題是煤體強度低，支架托頂煤厚度超過500 mm 時，需要進行加固。

在回采進度180～450 m 范圍，每隔20 m 做一個傾向剖面，判斷托頂煤高度，最終確定回采進度270～360 m（共90 m 長度）為需要注漿區域，在回風巷內實施注漿施工。回采進度270 m 位置剖面如圖2（a）所示，回采進度310 m 位置（斷距最大）剖面如圖2（b）所示，回采進度360 m 位置剖面如圖2（c）所示。

圖2 加固范圍內關鍵位置剖面圖

2.2 鉆孔參數

本次注漿加固對象明確，即支架上方所托頂煤。根據漿液流動性和裂隙發育程度，初步確定鉆孔間距為5 m。

加固從回采進度270 m 位置開始，每隔5 m 做一個傾向剖面，在剖面圖上繪制鉆孔，確定鉆孔參數。以回采進度310 m 位置為例，在剖面圖上繪制鉆孔，鉆孔應大部分處于頂煤內，且鉆孔深度超過斷層線5 m，如圖3 所示。確定此處鉆孔深度50 m，仰角6°。

圖3 回采進度310 m 位置鉆孔示意圖

依次確定其他鉆孔參數，最終得到所有鉆孔參數，開孔高度均距離頂板1.2 m，孔徑均為75 mm。所有鉆孔參數如表1 所示。

表1 鉆孔參數表

2.3 深孔注漿材料

普通硅酸鹽水泥材料配合水玻璃，能夠達到速凝早強的目的，在煤礦深孔注漿中應用十分普遍。但同樣存在較多問題：（1）水泥顆粒粗，粒徑一般在48～75 μm，容易進入大裂隙，難以進入微小裂隙。（2）水灰比大。受水泥本身和易性影響，現場一般使用水灰比1:1，方可保證漿液流動性良好，最終強度不足15 MPa，容易發生沉淀，影響擴散效果。（3）強度增長緩慢。普通水泥要在7 d 以上才能達到設計強度。

本次計劃采用超細水泥注漿材料，粒徑為10～13 μm，細度為普通水泥的4～5 倍。使用水灰比0.6:1，漿液制成后，具備1 h 左右良好流動性，滿足漿液輸送、擴散時間需求。漿液擴散過程中不發生離析、泌水，能夠進入細微裂隙，漿液4 h 初凝，1 d 單軸抗壓強度20 MPa，3 d 強度30 MPa，7 d 強度超過40 MPa。

2.4 注漿工藝參數

（1）封孔

從圖3 可以看出，有效加固長度為鉆孔后半段頂煤部分，因此可以增大封孔長度，迫使漿液往深部擴散，減少非必要的淺部擴散。另外，增加封孔長度也可以有效避免表面漏漿。設計封孔長度20 m，采用兩堵一注方式，兩端采用棉紗封堵，中部灌注漿液封孔。如圖4 所示。

圖4 封孔結構示意圖

（2）注漿壓力及控制方式

超前注漿時，裂隙發育程度不一，需要較高的注漿壓力，以滿足漿液在不同開度裂隙中充分擴散。現場要求注漿終止壓力不小于20 MPa。

初始注漿時，應盡量減小泵壓和流量，給漿液充足的擴散時間，避免漿液在孔內積聚產生憋壓現象，誤以為達到了注漿壓力。應低壓緩注，逐步增壓，實現最大注漿量。

3 工程量及效果考察

3.1 工程量

90 m 加固范圍施工19 個鉆孔，累計鉆孔進尺977 m，施工45 d。共計使用超細水泥注漿材料105 t，平均單孔注漿量5.5 t，最大單孔注漿壓力11.2 t。除串孔鉆孔外，注漿終止壓力均達到20～25 MPa。

3.2 效果考察

（1）工作面僅輕微冒頂

工作面通過90 m 加固區期間用時45 d，共計發生3 次輕微冒頂現象，冒頂高度不超過500 mm，連續架次不超過3 架，工作面安全通過，未使用化學漿。平均推進速度2 m/d（正常推進速度4 m/d），推進速度減慢的主要原因是斷層區域幫部巖石堅硬，需要大量的時間放炮處理，影響推進。

（2）經濟效益

本次試驗消耗超細水泥注漿材料105 t，水灰比0.6:1，單價5000 元/t，注漿材料費用52.5 萬元，鉆孔施工費用10.5 萬元，合計63 萬元。換算成等體積的化學漿，則需要消耗約168 t 化學漿，按照1.2萬元/t 計算，則化學漿注漿費用201 萬元。采用超細水泥深孔預注漿，節約注漿費用138 萬元，共加固90 m 長度，平均每米節約超過1.5 萬元。

4 結論

（1）依據托頂煤高度超過0.5 m 即需要加固的原則，采用傾向剖面法，將注漿加固范圍確定為回采進度270～360 m，合計90 m 長度。

（2）采用傾向剖面法，確定鉆孔參數，設計封孔長度20 m，注漿終止壓力不小于20 MPa。

（3）效果考察表明，通過90 m 加固區，工作面僅出現輕微冒頂現象，安全通過。與等體積化學漿比較，采用超細水泥深孔預注漿方式共節約注漿費用138 萬元，平均每米節約超過1.5 萬元。