薄基巖工作面斷層預(yù)注漿加固技術(shù)研究

馬海濤 曹思文 錢自衛(wèi)

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司楊村煤礦，山東 濟(jì)寧 272118；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

楊村煤礦330工作面屬于厚松散層薄基巖工作面，其中桲欏樹(shù)二號(hào)正斷層貫穿整個(gè)工作面，斷層落差大，易成為第四系底部含水層水、砂的導(dǎo)水通道。工作面尤其斷層附近突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)較大，超前對(duì)該斷層進(jìn)行預(yù)注漿加固對(duì)實(shí)現(xiàn)工作面安全開(kāi)采具有重要意義。

1 概況

330 工作面3煤覆巖厚度從東到西呈逐級(jí)變薄的特點(diǎn)，3煤層頂部煤巖柱厚度約在22.94～46.0m之間，屬于厚松散層薄基巖工作面。其中桲欏樹(shù)二號(hào)正斷層（257～260°∠50～60°H＝8.0m）貫穿整個(gè)工作面，延展長(zhǎng)度207m，運(yùn)輸順槽由于基巖厚度較薄，對(duì)安全開(kāi)采影響較大。

2 斷層注漿治理思路

2.1 注漿治理段長(zhǎng)跨度

設(shè)計(jì)初步選擇31.6m作為治理段劃分的界限，在330工作面內(nèi)斷層位置基巖厚度小于31.6m段作為治理段。另外考慮到330工作面初期開(kāi)采頂板的冒落形態(tài)，桲欏樹(shù)二號(hào)斷層加固的東北界限選擇在工作面運(yùn)輸順槽揭露斷層位置沿?cái)鄬用娲瓜蛏衔恢?，跨度共?jì)105m。如圖1所示。

2.2 注漿加固位置

根據(jù)《楊村煤礦330工作面提高開(kāi)采上限方案設(shè)計(jì)》，330工作面3煤層設(shè)計(jì)開(kāi)采厚度3m，預(yù)計(jì)底分層開(kāi)采條件下最大垮落帶高度約16.7m。本次治理的主要目的是加固斷層面，延緩斷層附近頂板冒落時(shí)間，減小因斷層影響的冒裂帶發(fā)育高度。

注漿孔終孔設(shè)計(jì)于第四系底界下8m位置的斷層面位置，漿液在斷層帶劈裂擴(kuò)散以擠密、加固斷層破碎帶，部分漿液向上繼續(xù)擴(kuò)散，進(jìn)入底含水層，加固底部砂層。如圖2所示。

圖1 斷層在基巖界面的斷層線位置圖

圖2 斷層注漿加固位置示意圖

2.3 注漿加固機(jī)理

針對(duì)斷層破碎帶及砂層，常規(guī)的水泥基漿液注漿主要為劈裂擴(kuò)散機(jī)理（如圖3所示），最終起到擠密、加固的效果。漿液在斷層帶及砂層中劈裂后形成脈狀擴(kuò)散效果，凝固的水泥漿液在斷層破碎帶及土層起到加筋的作用，可顯著增加被注破碎帶、砂層的整體性及穩(wěn)定性。

圖3 劈裂注漿機(jī)理

3 注漿方案及施工

3.1 注漿鉆孔設(shè)計(jì)

采用后孔驗(yàn)證前孔的方式，注漿前后斷層帶取芯檢驗(yàn)注漿效果，動(dòng)態(tài)調(diào)整注漿設(shè)計(jì)參數(shù)（孔位及注漿材料）。

初步預(yù)設(shè)注漿鉆孔11個(gè)，在平面上，在斷層帶注漿加固段鉆孔間距10m；在剖面上，鉆孔終孔設(shè)計(jì)于第四系底界下8m位置的斷層面位置。注漿孔設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 330工作面桲欏樹(shù)二號(hào)斷層注漿加固鉆孔布置圖

3.2 注漿方式

原則上各注漿孔設(shè)計(jì)單次注漿，直接鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深進(jìn)行注漿即可。如鉆進(jìn)過(guò)程中遇到塌孔、卡鉆等鉆孔現(xiàn)象，則提鉆注漿加固后，再套孔延伸至設(shè)計(jì)深度注漿即可。

（1）注漿液選用純水泥漿為主、雙液漿為輔。水泥選用標(biāo)號(hào)42.5的水泥，水玻璃濃度不低于36波美度。水泥基漿液采用普通水泥與水按一定比例混合而成，水泥漿屬于顆粒懸浮液，主要適用于寬大裂隙、空洞的充填，對(duì)于孔隙及微細(xì)裂隙不適用。

（2）工藝流程：確定注漿壓力和漿液配比（水灰比1.5∶1）→注漿，待壓力升高后停注→封孔。

每個(gè)鉆孔注漿時(shí)，初注用濃漿，注漿時(shí)逐漸降低漿液濃度。當(dāng)漿液在裂隙中沉析、充填階段，若壓力不升且進(jìn)漿量也不減時(shí)，應(yīng)逐漸加大漿液濃度；反之，若壓力上升快且進(jìn)漿量減量也快，應(yīng)依次降低漿液濃度。

（3）注漿壓力。根據(jù)有關(guān)規(guī)范，注漿終壓一般選擇為靜水壓力的2～3倍或垂直地應(yīng)力的1～1.5倍，本次桲欏樹(shù)二號(hào)斷層注漿加固區(qū)域埋深190m左右，則注漿孔口終壓設(shè)計(jì)為4.0MPa。

（4）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)有兩點(diǎn)，分別以注漿壓力及注漿量來(lái)控制。注漿孔的孔口注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓值4.0MPa，注入量小于30L/min，穩(wěn)定20min以上；單孔累計(jì)注漿量達(dá)到38m3，則及時(shí)調(diào)整漿液配比，增加水玻璃加量，帶壓封孔。

3.3 實(shí)際施工情況

共施工注漿加固孔11個(gè)、檢查孔2個(gè)，單孔實(shí)際孔深68～95m，總鉆巖進(jìn)尺1005m，掃孔進(jìn)尺120m。所有13個(gè)鉆孔，僅4#孔在56m以深段出水0.1m3/h，7#孔在57m以深段出水2.0m3/h，其他鉆孔均無(wú)任何出水現(xiàn)象。

注漿加固共注入水泥41.7t，固管消耗水泥3.8t，合計(jì)消耗水泥45.5t，單孔注漿量2.5～6.0t不等，檢查孔注漿量0.7t、0.8t。

4 斷層加固效果

（1）注漿結(jié)束后，在注漿量最少的1#、2#孔之間及注漿量最大的6#、7#孔之間施工12#、13#檢查孔，兩孔均無(wú)出水及卡鉆現(xiàn)象，兩孔注漿量為0.8t、0.7t，較注漿孔單孔注漿量明顯偏小，說(shuō)明注漿質(zhì)量整體較好。

（2）利用兩檢查孔開(kāi)展鉆孔窺視，12#、13#檢查孔窺視深度分別為86m、70m，兩孔孔壁結(jié)構(gòu)整體較穩(wěn)定，12#、13#檢查孔孔深71m、50m以深段巖層有明顯風(fēng)化裂隙發(fā)育，窺視段均無(wú)明顯的斷層破碎帶發(fā)育。根據(jù)巖層對(duì)比分析12#、13#檢查孔的斷層所處深度預(yù)計(jì)為85.6m及61.5m位置，與原預(yù)計(jì)位置較為吻合。通過(guò)窺視成果分析，330工作面桲欏樹(shù)二號(hào)斷層帶發(fā)育不明顯，厚度較小，斷層帶充填較為密實(shí)，無(wú)明顯出水現(xiàn)象。