四臺(tái)礦81003工作面過(guò)斷層注漿加固技術(shù)研究與應(yīng)用

趙海峰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037003）

0 引言

隨著煤礦采煤深度和采煤強(qiáng)度的增加，煤層出現(xiàn)斷層的現(xiàn)象愈演愈烈。在開(kāi)采過(guò)程中，在采動(dòng)壓力的作用下產(chǎn)生了冒頂，片幫等事故[1]。因此，要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過(guò)留設(shè)防水煤柱，采用注漿加固技術(shù)對(duì)工作面進(jìn)行過(guò)斷層改造。

1 地質(zhì)概況

四臺(tái)礦12號(hào)層81003工作面與上覆煤層的距離極近，位于410盤區(qū)的南部，工作面南高北低，該地區(qū)煤層厚約3.10～4.50 m，平均為3.75 m，中間是2層的夾石，厚度0.15 m，煤層呈傾斜，角度是3°～5°，平均斜坡是4°，該地區(qū)有較多的斷層，落差為0.71～1.7 m。工作面開(kāi)采后，由于斷層有較大的落差，揭露了區(qū)域內(nèi)頂板巖層的破碎，造成影響較大，另外片幫、冒頂事件的發(fā)生，不僅導(dǎo)致煤炭回采率較低，成本較高，而且還直接威脅著工作面的生產(chǎn)安全[2]。因此，針對(duì)四臺(tái)礦81003工作面的特殊結(jié)構(gòu)，選擇注漿加固的過(guò)斷層方法，其采煤與斷層位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 采煤與斷層位置關(guān)系

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 注漿方式

注漿加固選擇漸進(jìn)注漿的方式來(lái)進(jìn)行[3]，漸進(jìn)注漿方式要求如下：其中一級(jí)注管要求進(jìn)行2次，同時(shí)確保測(cè)試壓力為10 MPa，持續(xù)時(shí)間在30 min以上；另一方面，二級(jí)套管下入后才能進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，其中要求二級(jí)套管的測(cè)試壓力為10 MPa，持續(xù)時(shí)間在30 min以上。二級(jí)管試壓結(jié)束后，必須戴閘閥方可進(jìn)行鉆入，在鉆場(chǎng)配備測(cè)壓裝置，待鉆孔出水時(shí)進(jìn)行壓力測(cè)試。在鉆孔注漿時(shí)，一般采用連續(xù)注水，如單孔注水量超過(guò)150 t時(shí)，可考慮使用間歇注水，在間歇注水期內(nèi)必須及時(shí)沖洗注漿管道。

2.2 注漿條件

注漿加固主要采用循序漸進(jìn)的方式進(jìn)行注漿，當(dāng)鉆孔是5～7 mm時(shí)，進(jìn)行井下地面自動(dòng)注漿，當(dāng)鉆孔出水量小于5 m3/h，經(jīng)多次壓后注漿出水量仍大于10 m3/h，則繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)注漿，若未經(jīng)壓后注漿出水量繼續(xù)大于10 m3/h，則自動(dòng)注漿泵繼續(xù)進(jìn)行井下注漿，達(dá)到一定終壓后即停注，凝固4 h后經(jīng)掃孔后再鉆入，循環(huán)往復(fù)至鉆孔預(yù)計(jì)注漿深度為止。

2.3 注漿材料的選擇

采用樹(shù)脂和催化劑混合而成的馬麗散作為注漿加固材料,該材料粘度較低,注入巖石的擴(kuò)散速度快，此后可迅速將煤體與巖體相結(jié)合，并在短時(shí)間內(nèi)對(duì)斷層進(jìn)行加固，同時(shí)，馬麗散在滲透、機(jī)械、膠結(jié)等方面也有很好的作用，在抗沖擊、抗老化和耐磨等方面也有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的僅靠泵的壓力來(lái)擠壓漿液，馬麗散入斷裂后的體積擴(kuò)大了1.5倍，在很大程度上，不僅節(jié)省成本，而且還能提高效率。此外，馬麗散不受氣候影響，干燥、潮濕地區(qū)均可正常使用。因此，馬麗散成為注漿加固材料中的首選[4]。

2.4 注漿孔位置

在最短路徑原則[5]的基礎(chǔ)上，結(jié)合斷層實(shí)際勘查情況，注漿孔位置依次設(shè)計(jì)在上、下巷，其中，在上巷幫于切眼相距450～500 m處開(kāi)孔，在下巷幫與切眼相距500～600 m處開(kāi)孔，共設(shè)計(jì)上下2排注漿鉆孔，每相鄰2個(gè)上下孔之間間隔5 m，下排孔與底板保持1.1 m的距離，上排孔與頂板保存2 m的距離，深度要大于斷層10 m以上。以12號(hào)探測(cè)鉆孔附近注漿孔為例，鉆孔設(shè)計(jì)為：切眼后退450～620 m，合計(jì)170 m長(zhǎng)。上、下2排鉆孔分布，每孔之間間隔5 m，共設(shè)計(jì)37個(gè)鉆孔，深55～130 m。上下巷的鉆孔設(shè)計(jì)是相同的，設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2 注漿鉆孔設(shè)計(jì)示意圖

2.5 注漿參數(shù)確定

注漿效果受壓力大小的影響，壓力大會(huì)使煤巖體破碎，強(qiáng)度降低。壓力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致注漿范圍縮小，加固效果不明顯。依據(jù)煤體強(qiáng)度和斷層發(fā)育情況。確定了注漿壓力為8～15MPa。

斷層破碎帶的煤巖體強(qiáng)度也受注漿量的影響。注漿量過(guò)少會(huì)降低煤巖體裂縫的密實(shí)度，相反，過(guò)多浪費(fèi)漿液。注漿量的多少受多個(gè)因素影響，如鉆孔長(zhǎng)度，孔徑，漿液粘度以及煤巖體孔隙率等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)斷層裂縫發(fā)育情況，確定每個(gè)鉆孔的注漿量為2 t。

如遇到漏漿嚴(yán)重時(shí)，可以先停止注漿。漏漿可能是由于壓力過(guò)大，或者泵送流量過(guò)大?？梢韵冉档蛪毫氨盟土髁浚瑢?duì)漏漿點(diǎn)用棉紗封堵，待漏漿現(xiàn)象消失后，再用正常壓力及泵送流量進(jìn)行工作。

注漿時(shí)間的確定。由斷層發(fā)育情況以及開(kāi)采方式?jīng)Q定，超前切眼40 m時(shí)，裂縫發(fā)育程度較好，通透性較高，是最佳注漿區(qū)域。

3 應(yīng)用效果驗(yàn)證

在四臺(tái)礦12-2號(hào)層81003工作面斷層上應(yīng)用注漿加固技術(shù)，通過(guò)對(duì)巷道的片幫、冒頂深度和次數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，注漿前后的情況對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 巷道注漿前、后的對(duì)比

在四臺(tái)礦斷層注漿加固工程中，共設(shè)計(jì)鉆孔37個(gè)，工程進(jìn)展3 700 m，共消耗注漿材料135 t，平均單孔注漿量達(dá)到3.5 t。工程量每天推進(jìn)3 m，進(jìn)入斷層區(qū)域后，注漿區(qū)前40 m范圍內(nèi)，受工作面煤墻局部影響，發(fā)生片幫、冒頂3次。受此影響，工程進(jìn)度緩慢，工作面日平均回采不足1.5 m。進(jìn)入注漿加固區(qū)域后，片幫、冒頂現(xiàn)象大大減少，工作面日平均可回采2.5 m左右。通過(guò)表1可以得出結(jié)論：未注漿區(qū)跟注漿區(qū)相比，注漿加固后的片幫及冒頂深度和頻次都大幅度降低，因此說(shuō)明注漿加固技術(shù)在斷層裂縫處理方面有良好的效果。

4 結(jié)論

1）根據(jù)最短路徑原則，通過(guò)對(duì)81003工作面斷層進(jìn)行準(zhǔn)確的探查，合理安排注漿孔位置，選擇漸進(jìn)式注漿，提高了注漿效果。

2）選擇馬麗散做為注漿加固材料，不僅節(jié)約成本，而且提高了效率。

3）通過(guò)回采實(shí)驗(yàn)表明：注漿加固工藝在通過(guò)81003斷層工作面治理效果極佳，不僅片幫、冒頂事故發(fā)生次數(shù)減少，而且工程安全同時(shí)也得到保障。