崔志强

（晋城煤业集团赵庄煤业 ，山西 晋城 048000）

工作面揭露断层、陷落柱等构造区时，容易发生片帮、冒顶。工作面片帮、冒顶是制约综采设备效能发挥的重要因素，严重影响回采速度和安全生产。现在多采用的处理办法是工作面发生片帮、冒顶之后，采用化学浆进行处理加固，甚至需要工作面停采给出施工时间，本质上讲，化学浆加固为一种滞后的应急处理措施。自2015年来，晋煤集团开展构造区超前深孔预注浆技术，在长平矿、寺河矿、赵庄矿等进行了大量的现场实践，积累了较多的技术和施工经验[1～2]。由于工程条件差异性，本文以该技术的关键问题为出发点，以期为构造区加固提供原则性的设计依据，提高其适用性。

1 目前处理方式及存在问题

工作面出现严重的片帮、冒顶之后，化学浆处理为一种常见措施，化学浆凝固速度快，粘接性强，能够起到良好的作用，但存在3个主要问题：

1）工作面停采引起破坏范围增大。工作面出现严重问题之后，工作面需要停采处理冒落矸炭，在工作面打钻采用化学浆加固。相当多的研究表明，工作面停采是加剧工作面片帮、冒顶的重要原因，在超前支承压力作用影响下，工作面片帮范围和深度不断增加，裂隙迅速发展，化学浆消耗量成倍增长；

2）化学浆成本高昂。化学浆价格约3万元/t，晋煤集团长平矿、赵庄矿、寺河矿，工作面问题严重，每年累计消耗化学浆2.5亿元以上，给企业带来的沉重的经济负担；

3）化学浆有毒、反应温度高。化学浆为有机材料，有毒，有腐蚀性，反应温度200℃～300℃，对于高瓦斯、易自燃煤层，存在很大的安全隐患，全国发生过多起煤矿使用化学浆引起的火灾事故，在部分地区已经被禁止使用。

2 超前深孔预注浆方式

针对化学浆后处理带来的问题，晋煤集团自2015年开展构造区超前深孔预注浆加固技术研究，其主要思路为：针对构造区，超前工作面一定范围，在两条顺槽内，向中部施工深孔钻孔，如图1所示。根据构造类型不同，选择钻孔布置方式和具体参数，提前预注，目的是加强构造区煤帮、顶板强度，提高其承载能力，减轻工作面回采到构造区时的片帮、冒顶程度，加快工作面推进速度，减少超前支承压力作用时间，极大地减少化学浆使用量。

图1 构造区超前深孔预注浆方式示意图

3 超前深孔预注浆关键问题探讨

超前深孔预注浆由来已久，但一直未起到理想的加固效果，主要是认识不足和施工质量问题，在此展开更为具体的探讨。

3.1 构造区精准探测

首先应结合三维地震、槽波探测、钻探等手段，较为精确的确定构造区的类型、位置、大小、影响程度，为后续钻孔注浆方案提供精准的地质资料，如图2所示。

图2 构造区探测方式示意图

3.2 不同类型构造区加固范围及层位

大量的研究表明，采场顶板控制关键因素在于煤壁。煤壁为顶板的支撑点，煤壁发生片帮破坏，诱发顶板冒落的概率大幅增加，单一加固顶板，并不能起到理想的作用，煤壁加固也应作为重点。进一步的研究表明，距离顶板0.135倍采高处煤壁最易先发生破坏，即煤壁中上部应力集中区位置。

根据“控帮立顶”的技术思路，超前区深孔钻孔基础设计为上、下两排，上排钻孔加固煤壁上方1～2m厚度的顶板，下排钻孔加固煤壁中上部。

加固层位：针对不同构造类型，应先做出工作面倾向剖面图，在剖面图上确定机采范围和高度，钻孔层位根据机采范围进行确定，对于陷落柱、软煤区、复合顶板类型构造，工作面基本平行通过，机头至机尾机采范围基本为一水平线均匀变化，而断层构造则需要支架变坡过断层，机采范围变化大，必须更加注意，断层构造钻孔布置如图3所示。

图3 断层构造钻孔布置方式示意图

加固范围：对于断层，加固范围为断层面附近及支架在倾向上揭煤区域，如图3所示；对于陷落柱，陷落柱中部多存在硬核，需要爆破通过，薄弱区域为陷落柱与煤岩体交界面，加固范围应为交界面位置，不需要穿透注浆，如图4所示；对于软煤区、复合顶板，则需要整体穿透加固，如图1所示。

图4 陷落柱加固范围示意图

3.3 注浆材料

以往多采用普通水泥，浆液水灰比1：1，配合水玻璃使用。存在2个问题：

1）材料强度低。普通水泥和易性差，必须使用较多的水才能配置成流动性较好的浆液，水灰比为材料强度的根本，水灰比越大，强度越低，且强度增长越缓慢；

2）材料细度低。普通水泥仅有200目左右，粒径较大，配合较大水灰比使用，浆液容易发生泌水、沉淀，扩散性能差，微小裂隙难以进入，造成注浆效果差。

针对普通水泥的缺点，河南力行科创矿山技术开发有限公司研发了一种超细水泥注浆材料，细度1000目以上，是普通水泥的5倍，并通过外加剂调整施工性能，优势如下：

1）浆液不发生泌水、沉淀，扩散性能好。由于细度高，悬浮性好，浆液均匀，在流动和静置条件下均不会发生沉淀，且材料细度足够，可以渗入微小裂隙，起到更好的扩散效果；

2）施工性能好。通过外加剂的加入，减小水灰比至0.6：1，浆液具备40min左右良好的流动性，满足浆液制备、管路输送、孔内流动扩散所需时间，1h后变稠至胶水状，防止浆液流失，10h后强度快速增长；

3）强度增长快。由于采用较小的水灰比，且细度高提高了材料的活性，强度增长迅速，1d单轴抗压强度16MPa以上，3d单轴抗压强度25MPa以上，满足工作面快速推进的时效性要求。

3.4 注浆压力

煤矿注浆随意性大，对于注浆压力选择不够重视，往往是根据已有注浆设备，注浆泵达到额定注浆压力，或者出现严重漏浆即停止注浆，注浆效果难以保证。

长期的现场实践表明，构造区内存在大裂隙、小裂隙、微裂隙，尤其对于超前预注，受采动影响小，部分裂隙贯通性差，必须通过高压劈裂方式，将原本不贯通的裂隙进行连通，使绝大多数裂隙被浆液填充。根据煤岩体抗拉强度，高压劈裂注浆压力选择20～30MPa。

3.5 合理注浆时机

研究合理注浆时机的目的是确定注浆时机与工作面推进的关系。从时间角度考虑，深孔预注浆越早越好，有充足的施工时间，工作面推进到构造区时可以直接通过。但从裂隙发育规律的角度，提倡超前支承压力区注浆方式，即在工作面前方0～50m范围进行注浆，主要原因是工作面超前影响范围约为0～60m，受压力作用，构造内裂隙逐渐张开，贯通性提高，可注性增强，且围岩并未发生结构性破坏，仍具备较高的承载能力，此时进行注浆能够取得更好的扩散效果。

结合时间和裂隙发育规律两个因素，一般采取提前打钻、封孔，进入超前支承压力区之后再注浆的方式。

3.6 施工质量

上述分析较为全面的探讨了深孔预注浆的关键因素，为钻孔注浆方案设计提供了理论依据，而现场施工是整个注浆加固工作的重要一环。

构造区注浆为隐蔽性工程，钻孔深度大，钻杆存在下沉及回转问题，精确定向困难；注浆是否能够保证达到注浆压力，依赖现场施工人员责任心；实际钻孔层位与设计方案中出现差异，是否能够及时调整，都影响到整个注浆加固工程质量。因此，必须有一支经验丰富、责任心强的专业施工队伍进行实施。

3.7 化学浆使用

超前深孔预注浆主要目的是填充绝大部分裂隙，必然存在未被加固的裂隙，且超前支承压力区注浆完成后，工作面通过前，仍要受数天的压力影响，部分裂隙重新张开，需要进行化学浆补注，且超细水泥注浆材料为无机材料，粘接性差，出现片帮时仍需要依赖化学浆的粘接能力。因此深孔预注浆的意义在于减少化学浆用量，降低70%以上的注浆成本，并不能完全替代化学浆。

4 结论

1）工作面出现片帮、冒顶后，化学浆处理属于滞后的应急处理措施，存在停采引起的破坏程度增大、注浆成本高昂、发火危险等问题；

2）介绍了构造区超前深孔预注浆加固方式，即超前工作面一定范围，在两条顺槽内，向中部施工深孔钻孔，进行注浆加固；

3）从构造区精准探测、不同构造类型加固范围和加固层位、注浆材料、注浆压力、注浆时机、施工质量、化学浆使用认识等7个关键问题出发，分析了目前深孔预注浆存在的认识不足和施工质量问题。