張 鎮(zhèn)，孫永新，付玉凱，王 濤

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013； 3.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，煤炭消費(fèi)接近全國(guó)能源消費(fèi)總量的70%，而我國(guó)90%的煤炭為井工開(kāi)采，平均開(kāi)采深度已達(dá)到500m。井工開(kāi)采煤層賦存條件復(fù)雜，一個(gè)顯著的影響因素是煤層瓦斯含量高，50%以上的開(kāi)采煤層為高瓦斯或突出煤層[1]。瓦斯災(zāi)害是我國(guó)煤礦傷亡和損失最大、重特大惡性事故發(fā)生最頻繁的礦井災(zāi)害。降低和消除瓦斯災(zāi)害是高瓦斯煤礦安全生產(chǎn)的必經(jīng)之路，而井下瓦斯抽采是瓦斯治理的有效手段[2，3]。

隨著新版《煤礦安全規(guī)程》的實(shí)施，原有以尾巷排放瓦斯為主的治理瓦斯超限的方法需要進(jìn)行改變，回采工作面需要采用“抽排為主，風(fēng)排為輔”的瓦斯治理辦法。目前，作為成熟經(jīng)驗(yàn)許多礦區(qū)把高抽巷作為治理采空區(qū)瓦斯的手段，但對(duì)于王坡礦而言，由于其存在施工工期長(zhǎng)、無(wú)專用排矸系統(tǒng)和投入增加等實(shí)際困難，嚴(yán)重制約了礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)，本著“治得住、治得快、治得省”瓦斯治理的原則，積極開(kāi)展大直徑、高位定向長(zhǎng)鉆孔替代高抽巷技術(shù)攻關(guān)試驗(yàn)[4-11]。為盡可能更好的抽采工作面瓦斯，抽采鉆孔應(yīng)覆蓋整個(gè)工作面，因此鉆孔長(zhǎng)度較長(zhǎng)。當(dāng)煤體較為松散破碎時(shí)，在瓦斯抽采孔施工過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生塌孔而導(dǎo)致無(wú)法鉆進(jìn)或鉆孔失效的問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致瓦斯抽采困難。一般情況下，巷道周邊淺部煤體處于破碎帶內(nèi)，較深部煤體相對(duì)較為完整，因此如何將巷道周邊淺部松軟破碎煤體進(jìn)行預(yù)加固[12，13]，以便于瓦斯抽采鉆孔的順利施工，是解決這一問(wèn)題的有效方法之一。

1 試驗(yàn)點(diǎn)基本地質(zhì)概況

高位瓦斯抽采鉆場(chǎng)開(kāi)口位置選擇在王坡煤礦3309工作面回風(fēng)巷繞道內(nèi)，通過(guò)在3309回風(fēng)巷繞道施工高位瓦斯抽采鉆孔替代傳統(tǒng)的高抽巷解決工作面回采期間的瓦斯超限問(wèn)題，如圖1所示。依據(jù)施工設(shè)計(jì)，高位瓦斯抽采鉆孔施工穿越煤層逐步過(guò)渡到頂板巖層20～60m處，穿越煤層長(zhǎng)度約為25m。王坡煤礦處于沁水煤田，主采3號(hào)煤層，煤厚5.5m，埋藏深度500～600m，傾角6°，為近水平煤層，擬施工的高位瓦斯抽采鉆場(chǎng)所在的3309回風(fēng)巷繞道為巷道密集布置區(qū)，處于應(yīng)力集中地帶。

圖1 高位瓦斯抽采鉆場(chǎng)位置圖(m)

由于高位瓦斯抽采鉆孔施工直徑大、密度高，加之王坡煤礦煤體普遍偏軟，施工過(guò)程中容易出現(xiàn)塌孔、卡鉆和壓鉆的問(wèn)題，導(dǎo)致施工難度大，難以實(shí)現(xiàn)最終成孔的需要。為此，有必要在調(diào)查清楚待加固煤體特性的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性的對(duì)此類煤體進(jìn)行預(yù)加固，以便于瓦斯抽采鉆孔的順利通過(guò)。

2 煤體結(jié)構(gòu)窺視和強(qiáng)度測(cè)試

2.1 煤體結(jié)構(gòu)窺視

為研究煤體內(nèi)的結(jié)構(gòu)發(fā)育情況，對(duì)兩幫進(jìn)行了結(jié)構(gòu)窺視，設(shè)計(jì)窺視孔深10m，垂直煤幫水平鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)塌孔嚴(yán)重，鉆進(jìn)成孔困難，最終窺視深度為4.9m，如圖2所示。從圖2也可以看出，煤幫內(nèi)部呈松散破碎狀，近乎堆積體存在，無(wú)明顯貫通性裂隙。

圖2 煤幫窺視圖像(m)

2.2 煤體強(qiáng)度測(cè)試

原位強(qiáng)度測(cè)試是考察待注煤體強(qiáng)度分布的重要手段，采用小孔徑原位煤巖體強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，煤體強(qiáng)度平均值為7.17MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差2.55MPa，煤體強(qiáng)度偏低，且離散性較大，說(shuō)明煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均，完整性差，容易發(fā)生變形破壞。

圖3 煤體原位強(qiáng)度測(cè)試曲線

3 注漿加固機(jī)理及參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 注漿加固機(jī)理

由前文地質(zhì)力學(xué)調(diào)查分析可知，待加固區(qū)域煤體強(qiáng)度普遍偏低且完整性差，鉆孔施工過(guò)程中也出現(xiàn)因?yàn)殂@進(jìn)擾動(dòng)而導(dǎo)致的塌孔，具體表現(xiàn)為卡鉆、吸鉆、鉆進(jìn)煤粉量增大但不進(jìn)尺等現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔無(wú)法進(jìn)行，究其原因即為煤體太松軟破碎，抗鉆進(jìn)擾動(dòng)能力弱。故本次加固機(jī)理以粘結(jié)松軟煤體、增加松軟煤體整體性為主，適當(dāng)增加煤體強(qiáng)度，恢復(fù)一定的煤體承載力，避免瓦斯抽采鉆孔塌孔，提高瓦斯抽采鉆孔成孔質(zhì)量。

3.2 注漿加固參數(shù)設(shè)計(jì)

1)加固材料選擇。根據(jù)前述待注區(qū)域煤體特性調(diào)研，傳統(tǒng)的顆粒型漿材(如普通水泥漿)難以透過(guò)細(xì)小孔隙加固煤體，并且從加固機(jī)理來(lái)看，本次加固預(yù)將煤體粘結(jié)為一個(gè)整體，避免塌孔，普通水泥漿的粘結(jié)力較差，對(duì)于粘結(jié)力的提升非常有限，綜合考慮，本次加固選擇粘結(jié)力強(qiáng)的低發(fā)泡中高強(qiáng)度聚氨酯雙組份有機(jī)注漿加固材料。

2)注漿孔參數(shù)設(shè)計(jì)。注漿孔沿鉆場(chǎng)斷面成上、下兩排垂直布置，排距900mm，間距2000mm。鉆孔直徑為50mm，上排孔深18m，傾角10°，與水平方向夾角分別為83°、85°、88°和90°，距頂500mm；下排孔深26m，傾角9°，與水平方向夾角分別為85°、87°、89°和90°，距底1600mm；注漿孔布置如圖4所示。

圖4 瓦斯高位定向鉆場(chǎng)注漿孔布置圖(mm)

3)注漿施工工藝設(shè)計(jì)。注漿方式為單孔全長(zhǎng)分段注漿，采用專用封孔器封孔；從內(nèi)向外采用3段封孔注漿，每段采用2支封孔器封孔，封孔器向孔內(nèi)安設(shè)塑料射漿管，向外連接注漿鋼管。上排孔第一段封孔深度為12m，第二段封孔深度為7m，第三段封孔深度為1m。下排孔第一段封孔深度為18m，第二段封孔深度為10m，第三段封孔深度為1m。注漿順序：先注下排孔，后注上排孔。注漿量：預(yù)計(jì)單段注漿量250～300kg/孔，最大注漿量500kg/孔。注漿壓力：孔口注漿壓力4～8MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整。

4 井下應(yīng)用與效果分析

本次施工工期為4d，設(shè)計(jì)鉆孔8個(gè)，實(shí)際施工鉆孔10個(gè)，消耗漿液6t。為檢驗(yàn)注漿后煤體加固效果，對(duì)加固區(qū)域進(jìn)行煤體強(qiáng)度測(cè)試及圍巖窺視。

4.1 煤體強(qiáng)度測(cè)試

注漿結(jié)束后采用小孔徑原位圍巖強(qiáng)度測(cè)試儀對(duì)煤巖體進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，本次測(cè)試孔設(shè)計(jì)10m，正常施工鉆孔10m，全鉆孔可測(cè)試，測(cè)試曲線如圖5所示。從圖中可以看出煤體強(qiáng)度平均為11.25MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.05MPa，強(qiáng)度較注漿前增加57%，完整性提高58.8%，注漿加固起到了應(yīng)有的效果。

圖5 注漿后煤體強(qiáng)度測(cè)試曲線

4.2 圍巖結(jié)構(gòu)窺視

為檢驗(yàn)煤體加固后的整體完整性和深鉆孔鉆進(jìn)穩(wěn)定性，在煤幫施工20m深鉆孔進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)窺視。本次窺視共布置3組窺視孔，分別位于鉆場(chǎng)的左中右三個(gè)部位，各鉆孔均能順利施工20m深，且后期無(wú)塌孔現(xiàn)象。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，整個(gè)鉆孔孔壁光滑，無(wú)塌孔、破碎部位。原有裂隙內(nèi)均充滿漿液，煤巖體完整性恢復(fù)良好。

5 結(jié) 論

1)在松軟破碎煤體中施工大直徑長(zhǎng)鉆孔容易發(fā)生塌孔、卡鉆和壓鉆等現(xiàn)象，導(dǎo)致長(zhǎng)鉆孔施工困難，而采用注漿加固的方式對(duì)松軟破碎煤體進(jìn)行預(yù)加固，是保證長(zhǎng)鉆孔有效鉆進(jìn)的良好方法。

2)針對(duì)松軟破碎煤體加固的特點(diǎn)，采用有機(jī)漿液配合單孔全長(zhǎng)分段多次注漿的工藝，可以達(dá)到粘結(jié)煤體，增強(qiáng)煤巖體完整性和提高煤體強(qiáng)度的效果，同時(shí)施工工程量小，工藝簡(jiǎn)單，加固速度快。

3)煤巖體注漿加固后圍巖強(qiáng)度增加57%，完整性提高58.8%，鉆孔無(wú)塌孔出現(xiàn)，有效保證了長(zhǎng)鉆孔的順利實(shí)施。