論構(gòu)造破碎帶注漿加固技術(shù)在采煤工作面的應(yīng)用

＊趙春陽(yáng)

（山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司 山西 030000）

采煤活動(dòng)中遇到斷層后，可能存在工作面頂板破碎問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)誘發(fā)冒頂?shù)仁鹿?，?dǎo)致采煤工作進(jìn)程被迫停止，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全遭到威脅。因此，以何種方式使采煤工作面安全地通過(guò)斷層破碎帶是值得重點(diǎn)探討的技術(shù)課題。鑒于此，下文則重點(diǎn)探討構(gòu)造破碎帶注漿加固技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)。

1.工程概況

12122工作面長(zhǎng)390m、寬150m，東高西低、北高南低。煤層厚度1.72～4.09m，平均3.01m。采煤區(qū)基巖為全隱伏地層，被第四系地層覆蓋。隨著采煤工作面的推進(jìn)，將到達(dá)DF10正斷層組、DF11正斷層及X12陷落柱集中影響區(qū)，此范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造特殊，從膠帶順槽側(cè)開始對(duì)采煤工作面產(chǎn)生不良影響，影響工作面推進(jìn)長(zhǎng)度約300m。為保障采煤工作面的安全推進(jìn)，需要針對(duì)構(gòu)造破碎帶進(jìn)行處理。

2.采煤工作面過(guò)斷層方法

斷層最大落差為4.0m，過(guò)斷層時(shí)保留底板煤層，僅對(duì)上盤頂板巖層做切割處理；工作面回采受斷層F2的影響最為明顯，走向角度175°，傾角角度78°。過(guò)斷層方案，如圖1所示。

圖1 過(guò)斷層示意圖

采煤工作面過(guò)斷層施工時(shí)，嚴(yán)格控制支架起坡點(diǎn)的位置，按如下方法計(jì)算后確定：

式中：β—起坡角度（°）；a—斷層傾角（°）；H—斷層斷距（m）；M—工作面采高（m）。

經(jīng)計(jì)算，L1=26.3m，L2=24.1m，支架起坡點(diǎn)在距離斷層面約27m的頂板處。

3.構(gòu)造破碎帶注漿加固技術(shù)的應(yīng)用

(1)準(zhǔn)備工作

①根據(jù)注漿加固施工要求準(zhǔn)備材料和設(shè)備，所有材料均要通過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)，設(shè)備要通過(guò)性能檢驗(yàn)。

②回采后的114～132號(hào)液壓支架間會(huì)揭露陷落柱，針對(duì)此情況，采取超前注漿加固措施；注重現(xiàn)場(chǎng)檢查，校對(duì)陷落柱的發(fā)生部位，對(duì)此類部位進(jìn)行超前注漿，漿液固結(jié)后起到加固的效果；確定陷落柱內(nèi)部巖體破碎程度，必要時(shí)采取注漿加固措施。

(2)注漿材料的選用

具體至本工程中，注漿采用JDAQ-4新型無(wú)機(jī)充填加固材料，原因在于此類材料具有初凝快、微膨脹、高流動(dòng)性、高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)。為評(píng)價(jià)該材料的綜合性能，選取水灰比為（0.30～0.45）:1的材料，測(cè)定抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、初凝時(shí)間、流動(dòng)度等指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。

表1 JDAQ-4型材料性能參數(shù)測(cè)定結(jié)果

(3)注漿加固

注漿的施工流程涉及到孔位標(biāo)記、鉆孔、退出鉆桿、安裝注漿管、注漿、封孔等工序[2]，具體流程如圖2所示。

圖2 注漿工藝流程

在本工程中，注漿壓力以2MPa為宜，同時(shí)淺孔低壓注漿時(shí)，由漿液在巖體外部固結(jié)成封閉殼，深孔注漿時(shí)注漿壓力有所增加，以8～10MPa的高壓進(jìn)行注漿，在壓力的推送作用下，使?jié){液全面填充裂隙，取得更加良好的注漿效果[3]。

(4)注漿孔的布置

注漿加固范圍為12122工作面的斷層和陷落柱，加固所用漿液的擴(kuò)散半徑為3.0～4.0m，根據(jù)漿液擴(kuò)散范圍廣、注漿填充能力強(qiáng)的特點(diǎn)，確定注漿孔的布置范圍。

①斷層注漿孔布置。DF10斷層：注漿孔布設(shè)范圍為12122膠帶內(nèi)，經(jīng)由此區(qū)域的孔洞注漿后，加固DF10斷層。單排布孔，孔徑120mm，開孔高度1.8m，鉆孔間距1.0m，傾角視實(shí)際情況而定。封孔深度8m，采用囊袋式注漿封孔的方法。鉆孔過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)鉆進(jìn)深度的監(jiān)測(cè)，鉆孔見煤3～5m時(shí)，退鉆桿。

DF11斷層：注漿孔布設(shè)范圍為12122膠帶巷內(nèi)，經(jīng)由此區(qū)域的孔洞注漿后，加固DF11斷層。單排布孔，孔徑120mm，開孔高度1.8m，鉆孔間距1.8m，傾角視實(shí)際情況而定。封孔深度8m，采用囊袋式注漿封孔的方法。鉆孔過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)鉆進(jìn)深度的監(jiān)測(cè)，鉆孔穿過(guò)DF11斷層面周邊6m煤或4m巖時(shí)，退鉆桿。

②X12陷落柱注漿孔布置。由于本工程注漿具有長(zhǎng)距離、高壓、超前加固的特點(diǎn)，且注漿作業(yè)范圍主要集中在運(yùn)輸順槽內(nèi)，特對(duì)X12陷落柱的特殊地段采取注漿加固措施。為避免長(zhǎng)距離高壓注漿過(guò)程中出現(xiàn)跑漿問(wèn)題，嚴(yán)密封堵巷道內(nèi)的斷層和陷落柱。鉆孔采取深孔和淺孔相綜合的方法，布置方式為：

A.深孔的布置：在兩排錨桿中間、距底板2m處開孔，首個(gè)鉆孔安排在距離停采線154m處，注漿深孔布設(shè)間距統(tǒng)一控制在5.4m，孔徑120mm，開孔高度2m，注漿管外徑25mm。以該方式布孔后，距停采線154～40.9m內(nèi)的深孔數(shù)量共計(jì)22個(gè)。

B.淺孔的布置：在兩排錨桿中間、距底板2m處開孔，首個(gè)鉆孔安排在工作面軌道順槽距離停采線146m處，注漿淺孔布設(shè)間距統(tǒng)一控制在5.4m，孔徑75mm，開孔高度2m，深度5m，注漿管外徑25mm，所有淺孔均布置在深孔之間。以該方式布孔后，距停采線146～32.8m內(nèi)的淺孔數(shù)量共計(jì)22個(gè)。封孔深度1m，采用囊袋式注漿封孔的方法。

圖3 X12陷落柱注漿孔布置剖面圖

(5)注漿工藝

注漿孔鉆進(jìn)結(jié)束后，檢驗(yàn)孔位、孔深、孔徑等，若無(wú)誤布置嚴(yán)密性和管道內(nèi)部暢通性均良好的注漿管路，為注漿配備封孔裝置。待各項(xiàng)準(zhǔn)備工作均落實(shí)到位后，開始注漿。

①正式注漿前安排試注漿，注入清水，觀察出水狀況，判斷是否存在管路堵塞或其它的問(wèn)題，若有需盡快處理。②啟動(dòng)攪拌泵，檢查此裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。③連接管路和孔口混合器，檢查連接部位是否嚴(yán)密、穩(wěn)定。④按比例向儲(chǔ)漿桶內(nèi)倒入黑料和白料，提供足量的注漿加固材料。注漿期間，加強(qiáng)對(duì)儲(chǔ)漿桶內(nèi)注漿材料液位的檢查，若發(fā)現(xiàn)液位下降，隨即補(bǔ)充。⑤隨著注漿的持續(xù)進(jìn)行，待注漿壓力提高至12MPa時(shí)，借助單孔注漿，按照施工計(jì)劃轉(zhuǎn)移至下一孔，以此類推，完成所有鉆孔的注漿作業(yè)。⑥注漿后，若確認(rèn)構(gòu)造破碎帶的注漿效果良好，隨即拆除混合管及注漿管，用清水沖洗附著在管路中的漿液，以防固結(jié)。

4.工作面推進(jìn)工藝

根據(jù)安全、平穩(wěn)等要求推進(jìn)采煤工作面，要點(diǎn)如下：（1）采煤機(jī)在陷落柱兩側(cè)邊界10m以內(nèi)時(shí)，以0.5～1.0m/min的速度截割，期間加強(qiáng)對(duì)截割范圍內(nèi)煤、巖的觀察，若遇到煤壁有片幫傾斜或頂板穩(wěn)定性不足的情況，暫停截割，根據(jù)實(shí)際狀況采取控制措施。（2）采煤機(jī)在陷落柱兩側(cè)邊界范圍10m以外時(shí)，煤炭截割以正規(guī)循環(huán)的方式進(jìn)行。（3）以采煤工作面揭露的陷落柱和探測(cè)到的陷落柱的實(shí)際情況為準(zhǔn)，調(diào)整注漿參數(shù)，以合適的參數(shù)注漿后，取得良好的注漿加固效果[4]。（4）采煤機(jī)截割作業(yè)點(diǎn)位到達(dá)陷落柱影響區(qū)域時(shí)，以此處巖體硬度f(wàn)值為準(zhǔn)采取合適的破碎方法：f值在4以內(nèi)且?guī)r體破碎，由采煤機(jī)截割巖體；f值在4以上且存在高硬度的巖體，僅通過(guò)采煤機(jī)截割時(shí)難度高、效率低，因此在采取此方法的同時(shí)輔以爆破措施。

5.構(gòu)造破碎帶注漿效果評(píng)價(jià)

托頂煤通過(guò)無(wú)機(jī)加固材料做注漿加固處理后，煤頂節(jié)理被漿液填充密實(shí)，固結(jié)后的漿液連同煤頂組成結(jié)塊，提升架頂托頂煤的穩(wěn)定性較處理前大幅提高。在本工程中，注漿材料屬無(wú)機(jī)加固材料，可避免傳統(tǒng)聚氨酯類材料加固過(guò)程中可能出現(xiàn)的遺煤自燃氧化問(wèn)題，加固的安全性良好。頂煤經(jīng)過(guò)加固后具備較強(qiáng)的承載性能，可在安全的前提下順利完成托頂煤的快速推進(jìn)作業(yè)。注漿加固材料的5h抗壓強(qiáng)度達(dá)到25.5MPa乃至更高，加固后的破碎帶具有較高的抗壓強(qiáng)度，穩(wěn)定性良好。針對(duì)DF10、DF11斷層進(jìn)行注漿加固后，現(xiàn)場(chǎng)破碎帶松散、失穩(wěn)等問(wèn)題均得到改善，加固后的斷層構(gòu)造破碎帶可滿足綜采工作面安全通過(guò)的要求[5]。

以掏撬法向注漿加固范圍內(nèi)選取煤巖體塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示煤巖體的強(qiáng)度及其它性能均達(dá)到要求，能夠保證工作面順利通過(guò)斷層破碎帶。由于對(duì)工作面落差較大的斷層采取的是不飽和注漿的方法，注入的漿液將落差較大的斷層粘結(jié)至一體，平整性和穩(wěn)定性均得到改善，具備綜采工作面安全生產(chǎn)的條件，在此基礎(chǔ)上，若工作面施工方式得當(dāng)，將順利通過(guò)DF10、DF11斷層。從現(xiàn)場(chǎng)施工狀況來(lái)看，早班以打孔注漿的方法加固綜采工作面，中班和晚班檢測(cè)結(jié)果顯示注漿加固材料的初始抗壓強(qiáng)度達(dá)到要求，可進(jìn)行工作面生產(chǎn)，保障綜采工作面注漿、回采的交替進(jìn)行，施工進(jìn)程能夠連續(xù)推進(jìn)。

6.結(jié)論

經(jīng)過(guò)前述的分析后，對(duì)本文內(nèi)容做如下總結(jié)：

（1）考慮到煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造破碎帶地質(zhì)條件的特殊性，秉承著安全生產(chǎn)的原則，提出注漿加固技術(shù)。經(jīng)過(guò)打孔、注漿后，漿液填充至斷層、陷落柱內(nèi)，漿液發(fā)生固結(jié)，將松散的破碎帶膠結(jié)至一體，注漿后的圍巖具有更好的完整性以及更高的強(qiáng)度，可避免原始狀態(tài)下的頂板破碎、分段坍塌等問(wèn)題，避免冒頂事故，營(yíng)造良好的煤礦生產(chǎn)條件。高度重視注漿材料的選擇，經(jīng)過(guò)對(duì)多類材料的對(duì)比分析后，采用的是JDAQ-4型新型無(wú)機(jī)充填加固材料，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件設(shè)計(jì)適宜的鉆孔方法、注漿方法，經(jīng)過(guò)鉆孔、注漿后，充分發(fā)揮出漿液的加固作用。

（2）現(xiàn)場(chǎng)取樣檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，加固范圍內(nèi)煤巖體的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等性能均達(dá)到要求，構(gòu)造破碎帶具有完整性，可保障工作面通過(guò)構(gòu)造破碎帶時(shí)的安全性。同時(shí)，綜采工作面注漿加固、回采交替進(jìn)行，施工秩序良好。實(shí)踐表明，工程采取的注漿加固技術(shù)在處理構(gòu)造破碎帶時(shí)有良好的應(yīng)用效果，可推廣至類似的煤礦工程中。