預(yù)注漿技術(shù)在綜放工作面過斷層中的應(yīng)用

任學(xué)軍

【摘 要】 文章針對綜放工作面過斷層時底板松軟、下陷問題，提出采用超前注漿方式來加固斷層破碎帶煤層，使綜放工作面平穩(wěn)順利通過斷層帶。研究結(jié)果表明：1）選用單液水泥漿、化學(xué)漿液交叉方式，發(fā)揮不同漿液優(yōu)勢，可提高注漿加固效果;2）注漿漿液在松軟破碎煤體中形成膠結(jié)骨架，顯著提高了煤體承載能力，可有效避免刮板輸送機、液壓支架等設(shè)備陷入底板問題;3）采面在過斷層期間綜放設(shè)備未再出現(xiàn)下陷底板問題，整個推進過程較為平穩(wěn)。研究成果為其他礦井工作面過斷層帶底板松軟、下陷問題提供一定參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】 注漿加固;斷層破碎帶;松軟煤層;綜放設(shè)備

【中圖分類號】 TD823 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）05-0006-03

斷層是煤炭開采過程中常見地質(zhì)構(gòu)造，采面過斷層破碎帶時若不能針對性采取防治措施往往會出現(xiàn)煤壁片幫、頂板冒落等問題，給礦井正常生產(chǎn)帶來不利影響。隨著礦井綜合機械化開采水平的提升，采煤機、液壓支架功率、重量不斷增加，當綜放設(shè)備推進至斷層破碎帶附近時由于巖層本身承載能力差，容易出現(xiàn)綜放設(shè)備下陷問題，給采面正常生產(chǎn)帶來不利影響。注漿加固是提高巖層承載能力的重要技術(shù)措施，文中就預(yù)注漿技術(shù)在綜放工作面過斷層中的應(yīng)用進行分析，以期研究成果為其他類似工程問題提供借鑒。

1 工程概況

山西某礦開采的8號煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，井田范圍內(nèi)斷層發(fā)育（以正斷層為主），礦井8110綜放工作面開采的8號煤層厚度7.15m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾雜4～7層高嶺石、炭質(zhì)泥巖夾矸。

8110綜放工作面開采范圍內(nèi)受到DF42（H=7.2m，195°∠42°）、DF52（H=5.2m，117°∠36°）影響，造成采面中部存在寬50m、長約400m的煤層破碎帶，在該破碎帶內(nèi)煤層底板下陷0.5～3.8m，且較為松軟。

2 注漿加固設(shè)計

采面開采時DF42、DF52斷層主要影響是造成煤層底板下陷、煤體破碎且松軟，無法給刮板輸送機、液壓支架提供足夠承載力，為此注漿加固的重點是對破碎松軟的煤體進行加固。

2.1 加固方案

根據(jù)8110綜放工作面開采地質(zhì)條件以及礦井生產(chǎn)現(xiàn)狀，經(jīng)過綜合分析決定在采面運輸巷向采面煤層下陷區(qū)進行注漿加固，具體加固范圍為采面前方950～1365m。在采面前方950～1210m范圍內(nèi)煤層下塹到底板0.5～1.3m，煤體松軟，設(shè)計的注漿鉆孔間距為3m、孔深為30～50m;在采面前方1210～1365m范圍內(nèi)煤層陷入到底板1.25～3.8m，注漿孔間距仍為3m、孔深為25～30m。鉆孔布置角度依據(jù)底煤厚度變化進行調(diào)整，確保有效注漿區(qū)域可覆蓋整個底煤區(qū)。

在采面950～1210m、1210～1365m范圍在運輸巷布置注漿孔，鉆孔間距3m、孔深25～50m，開孔位于巷道底板上方1.0m處。由于煤層下塹底板深度在0.5～3.8m，經(jīng)過計算鉆孔傾角應(yīng)位于3～11°，為了便于現(xiàn)場施工，將鉆孔傾角統(tǒng)一為8°。注漿鉆孔布置設(shè)計圖見圖1。

2.2注漿材料確定

提升破碎煤巖體承載能力及穩(wěn)定性的加固材料可分為化學(xué)漿液（有機類）、水泥類漿液（無機類）兩類。化學(xué)漿液為高分子材料，一般用于封堵加固裂隙較小的煤巖體;水泥類漿液主要用以充填、加固裂隙較大的煤巖體。根據(jù)采面情況，注漿先選用單液水泥漿（P·O42.5硅酸鹽水泥配制），若加固強度或加固效果不滿足需要時則選用化學(xué)漿液（無毒、安全的改性脲醛樹脂）。

受到斷層影響在注漿區(qū)域內(nèi)煤體松軟，注漿難度較大，在注漿過程中應(yīng)注意調(diào)整水泥漿液濃度以及化學(xué)漿液配備（A、B料配比）。根據(jù)有關(guān)研究成果，化學(xué)漿液A、B料按照3∶1配比時可提升松軟煤體注漿效果。

2.3注漿孔封孔

在鉆孔注漿初期選用止?jié){塞進行封孔，但是由于注漿壓力大封孔效果不佳，部分漿液從孔口溢出。后經(jīng)過反復(fù)改良、試驗后最終選用孔口封孔結(jié)構(gòu)（見圖2）進行封孔，該裝置通過2根（一根長3m、一根長6m）孔徑29mm孔口管（無縫鋼管），3m長孔口管用以注漿（馬麗散）實現(xiàn)孔口封堵，通過孔口管兩端的麻絲來減少封孔漿液的泄漏量;6m長孔口管用以鉆孔注漿加固。

2.4漿液有效擴散半徑

注漿漿液有效擴散半徑與注漿漿液濃度、注漿工藝、注漿時間以及漿液濃度等參數(shù)有關(guān)，通常注漿時漿液優(yōu)先沿著裂隙發(fā)育面擴展，漿液擴散不均衡。根據(jù)礦井以往注漿經(jīng)驗，本次注漿確定的漿液有效擴散半徑為2.0m。

2.5注漿壓力

注漿壓力過大會產(chǎn)生新的裂隙不利于增加煤體強度，注漿壓力過小則存在注漿盲區(qū)不能得到預(yù)期目的。一般情況下，注漿鉆孔最大注漿應(yīng)力為2～2.5倍注漿點靜水壓力。在8110運輸巷注漿點位置靜水壓力取值為4.0MPa，則注漿孔最大注水壓力應(yīng)在8～10MPa。結(jié)合注漿點現(xiàn)場實際情況，最終確定最大注漿壓力為10MPa。

2.6注漿量

煤巖性質(zhì)差異導(dǎo)致不同注漿孔注漿量存在差異，一般情況下注漿壓力達到最大值鉆孔內(nèi)漿液基本不向外繼續(xù)擴散，此時再保壓30min即可停止注漿。具體鉆孔注漿量（Q）可采用下述公式計算：

Q=NAR2πHβη/m

其中：N為注漿鉆孔數(shù)量（個）;A為漿液消耗系數(shù);R為漿液有效擴散半徑（m）;H為注漿孔深（m）;β為注漿漿液充填系數(shù);η為注漿目標巖層孔隙率（%）;m為漿液結(jié)石率。

具體N=90;A=1.2～1.5;R=2;H=25～50;β=0.8～0.9;η=1%;m=0.85，將上述參數(shù)代入公式（1）求得Q=315～630（m3）。

3注漿效果分析

在采面運輸巷采用2臺型號為2TGZ-60注漿泵（功率11kW、注漿量60L/min）進行注漿，通過單液水泥漿、化學(xué)漿液交叉注漿來提高斷層影響破碎帶煤體強度。整個注漿加固共耗時63d，完成90個鉆孔鉆進、注漿工作，注漿孔水泥漿單孔最大注入量為2.4m3、化學(xué)漿液單孔注入量達到3.2t，整個注漿孔共計注入64.9m3水泥漿、31t化學(xué)漿液。注漿孔實際注入量遠小于理論計算得出的注漿量，分析主要是由于漿液實際有效擴散半徑、煤體裂隙率等參數(shù)選取值與實際值間存在偏差。