综采放顶煤工作面过断层超前注浆加固技术

2020-01-17何立成

煤矿现代化 2020年1期

何立成

（霍州煤电集团汾河焦煤公司三交河煤矿，山西霍州 031400）

当工作面遭遇构造，特别是进、出断层或陷落柱时，煤帮及顶板不稳定，容易发生片帮、冒顶事故，影响安全生产。目前利用水泥类材料对构造区进行超前加固，由于材料细度、注浆压力、漏浆严重等问题，并未取得预期效果，因此，多在工作面发生片帮、冒顶前后大量使用化学浆加固，甚至需要停采给出施工时间，化学浆成本高昂，有毒、有腐蚀性，属于应急处理措施[1～2]。针对断层等构造进行超前注浆加固，具有施工时间充足、提高煤岩体强度、减少化学浆使用等技术优势，但需要解决的是钻孔精确性、浆液扩散效果、漏浆处理等关键问题。本文以赵庄二号井2301工作面过断层研究对象，针对上述问题展开研究。

1 工程背景

2301工作面位于赵庄二号井西翼盘区，开采3#煤层，工作面走向长594.4m，倾向长154.7m，煤层平均厚度4.56m，平均倾角3°。采用放顶煤开采方法，采高2.8m，放煤高度1.4m～1.7m。工作面布置两条顺槽，23011运输顺槽和23012回风顺槽。

工作面发育1条正断层DF22，对回采影响较大，断层面与23012巷交汇处为回采进度180m位置，断层影响结束为回采进度360m位置。在槽波探测基础上，对断层区域施工了大量的钻探孔，如图1所示。

图1 工作面布置及断层分布图

2 断层分布预测及注浆钻孔布置

断层注浆加固关键问题是钻孔布置，必须保证钻孔终孔位置进入需要加固的层位，才能起到加固效果。因此，首先要掌握断层下盘煤的准确分布，然后确定综放工作面机采高度范围，从而确定注浆钻孔参数。钻探孔揭露能够较准确地说明断层下盘煤分布情况，因此，选取具有代表性的钻探孔进行分析。

选取1-2#探孔、补6#探孔、补5#探孔、3-1#探孔，共4个探孔，分别在回采进度205m、235m、255m、290m，根据钻探揭露情况，绘制工作面揭露断层面时工作面的剖面图，并在剖面图上确定机采高度范围，再根据钻孔设计依据在剖面图上绘制钻孔布置图。先对4个钻探孔位置进行注浆钻孔设计，依次对所有钻孔进行设计。

机采高度范围确定原则：①支架在上抬段角度尽量大，但不能超过10°；②机尾距离断层面距离假设为L，当L＜6m时，直接上抬进入下盘煤，当6m＜L＜25m时，支架先不上抬，距离断层面6m开始上抬，当L＞25m时，支架先卧

底放顶煤，距离断层面10m开始上抬，进入下盘煤支架调正。

钻孔设计原则：在23012巷帮开孔，基础设计为上、下两排，下排孔开孔高度距离底板1.1m，下排孔终孔位置在机采高度范围，下排孔设计深度应进入下盘煤10m，上排孔开孔高度距离底板2.0m，上排孔设计深度应进入顶板5m,上、下排钻孔钻孔间距10m，上排孔终孔位置在机采高度上方1m左右的顶板内，孔径均为75mm。

以1-2#探孔为例，绘图如图2所示。

图2 1-2#探孔位置钻孔布置示意图

钻孔布置：实施范围为回采进度180m～360m，合计180m长度。由于断层变化连续，以4个钻探孔为关键孔，依次进行所有钻孔设计。上排钻孔与下排钻孔间距均为10m，共设计37个钻孔，孔深45m～75m。钻孔设计平面图如图3所示，部分钻孔设计参数见表1所示。

图3 注浆钻孔布置平面图

表1 注浆钻孔设计参数

3 注浆设计关键因素

3.1 注浆、堵漏材料

超前深孔注浆工程特性：

1）钻孔深度大。浆液应具备良好的流动性，以满足充分扩散，同时具备良好的悬浮性，避免浆液扩散过程中水、料分离；

2）裂隙发育程度低。超前工作面注浆，裂隙开度相对较小，贯通性较差，注浆材料应超细化，以使材料颗粒进入微小裂隙，同时应配合高注浆压力劈裂注浆；

3）时效性要求高。综采工作面回采速度快，超前注浆后数天后工作面进入注浆区域，要求注浆材料具备较高强度，因此注浆材料需要满足强度快速增长。

针对超前深孔注浆工程特性，河南理工大学研发的超细水泥单液注浆材料，细度1250目，使用水灰比0.6：1，材料加水搅拌后，40min～60min 内流动性较好，不泌水，之后逐渐稠化，2h～3h完全失去流动性，约10h完全固化，之后强度快速增长，1d抗压强度16MPa，3d 抗压强度 26MPa，7d 抗压强度 32MPa。

超细水泥单液注浆材料能够满足深孔注浆需求，需要解决的关键问题是围岩表层漏浆问题，由于流动性良好，出现漏浆很难堵漏，造成注浆终止，注浆量较少，注浆效果不佳。

河南理工大学研发的堵漏材料为双液注浆材料，由A、B两种粉料组成，使用水灰比1：1，混合后2min～5min左右失去流动性，20min终凝，2h强度8MPa以上，是一种良好的堵漏材料，在出现严重漏浆时换注，堵漏后继续使用超细水泥单液材料，交替注浆，实现注浆量最大化。

3.2 合理注浆时机

合理注浆时机取决于裂隙发育程度。

工作面前方0～20m裂隙发育程度最高，注浆量大，注浆压力小，适宜进行注浆，但是距离工作面煤壁过近，容易出现工作面煤壁漏浆，影响回采，同时施工紧张，没有给注浆材料强度增长时间；工作面前方55m以外为原岩应力区，裂隙不发育，可注性差，注浆压力大、注浆量小，注浆完毕进入超前支承压力区后再次产生大量新的裂隙，注浆作用小；工作面前方20m～55m，在超前支承压力作用下，裂隙有一定程度的张开、贯通，此时进行注浆，注浆压力适中，适当提高注浆量，工作面约3～5d回采至注浆区域，注浆材料有充分的强度增长时间。

根据现场试验情况，认为保持在工作面前方25～45m为合理注浆时机，注浆跟随工作面回采进行。

3.3 最终注浆压力

最大注浆压力以能劈裂微小裂隙为宜，根据岩石岩性物理力学参数分析和现场试验，最大注浆压力25MPa～30MPa，最终注浆压力应达到 25MPa～30MPa。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

共施工37个钻孔，实际钻孔进尺2100m，注浆材料消耗量129.5t，平均单孔注浆量3.5t，最大单孔注浆量10t。

4.2 效果考察

工作面正常回采速度3m/d。

图4 工作面各区域片帮、冒顶情况

工作面进入断层影响区之后，进入注浆区域前50m，工作面共发生3次片帮、冒顶现象，片帮深度1.5m～2.5m，冒顶高度1m～3m，连续架次超过8架，对回采造成严重影响，消耗大量时间处理冒顶，工作面平均回采速度0.88m/d，如图4（a）所示；进入注浆区域后，工作面未发生冒顶，最大片帮深度0.5m，连续架次不超过3架，回采顺利，平均推进速度2.5m/d，如图 4（b）所示。