崔志強(qiáng)

（晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè) ，山西 晉城 048000）

工作面揭露斷層、陷落柱等構(gòu)造區(qū)時(shí)，容易發(fā)生片幫、冒頂。工作面片幫、冒頂是制約綜采設(shè)備效能發(fā)揮的重要因素，嚴(yán)重影響回采速度和安全生產(chǎn)?，F(xiàn)在多采用的處理辦法是工作面發(fā)生片幫、冒頂之后，采用化學(xué)漿進(jìn)行處理加固，甚至需要工作面停采給出施工時(shí)間，本質(zhì)上講，化學(xué)漿加固為一種滯后的應(yīng)急處理措施。自2015年來，晉煤集團(tuán)開展構(gòu)造區(qū)超前深孔預(yù)注漿技術(shù)，在長平礦、寺河礦、趙莊礦等進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，積累了較多的技術(shù)和施工經(jīng)驗(yàn)[1～2]。由于工程條件差異性，本文以該技術(shù)的關(guān)鍵問題為出發(fā)點(diǎn)，以期為構(gòu)造區(qū)加固提供原則性的設(shè)計(jì)依據(jù)，提高其適用性。

1 目前處理方式及存在問題

工作面出現(xiàn)嚴(yán)重的片幫、冒頂之后，化學(xué)漿處理為一種常見措施，化學(xué)漿凝固速度快，粘接性強(qiáng)，能夠起到良好的作用，但存在3個(gè)主要問題：

1）工作面停采引起破壞范圍增大。工作面出現(xiàn)嚴(yán)重問題之后，工作面需要停采處理冒落矸炭，在工作面打鉆采用化學(xué)漿加固。相當(dāng)多的研究表明，工作面停采是加劇工作面片幫、冒頂?shù)闹匾?，在超前支承壓力作用影響下，工作面片幫范圍和深度不斷增加，裂隙迅速發(fā)展，化學(xué)漿消耗量成倍增長；

2）化學(xué)漿成本高昂。化學(xué)漿價(jià)格約3萬元/t，晉煤集團(tuán)長平礦、趙莊礦、寺河礦，工作面問題嚴(yán)重，每年累計(jì)消耗化學(xué)漿2.5億元以上，給企業(yè)帶來的沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；

3）化學(xué)漿有毒、反應(yīng)溫度高。化學(xué)漿為有機(jī)材料，有毒，有腐蝕性，反應(yīng)溫度200℃～300℃，對(duì)于高瓦斯、易自燃煤層，存在很大的安全隱患，全國發(fā)生過多起煤礦使用化學(xué)漿引起的火災(zāi)事故，在部分地區(qū)已經(jīng)被禁止使用。

2 超前深孔預(yù)注漿方式

針對(duì)化學(xué)漿后處理帶來的問題，晉煤集團(tuán)自2015年開展構(gòu)造區(qū)超前深孔預(yù)注漿加固技術(shù)研究，其主要思路為：針對(duì)構(gòu)造區(qū)，超前工作面一定范圍，在兩條順槽內(nèi)，向中部施工深孔鉆孔，如圖1所示。根據(jù)構(gòu)造類型不同，選擇鉆孔布置方式和具體參數(shù)，提前預(yù)注，目的是加強(qiáng)構(gòu)造區(qū)煤幫、頂板強(qiáng)度，提高其承載能力，減輕工作面回采到構(gòu)造區(qū)時(shí)的片幫、冒頂程度，加快工作面推進(jìn)速度，減少超前支承壓力作用時(shí)間，極大地減少化學(xué)漿使用量。

圖1 構(gòu)造區(qū)超前深孔預(yù)注漿方式示意圖

3 超前深孔預(yù)注漿關(guān)鍵問題探討

超前深孔預(yù)注漿由來已久，但一直未起到理想的加固效果，主要是認(rèn)識(shí)不足和施工質(zhì)量問題，在此展開更為具體的探討。

3.1 構(gòu)造區(qū)精準(zhǔn)探測(cè)

首先應(yīng)結(jié)合三維地震、槽波探測(cè)、鉆探等手段，較為精確的確定構(gòu)造區(qū)的類型、位置、大小、影響程度，為后續(xù)鉆孔注漿方案提供精準(zhǔn)的地質(zhì)資料，如圖2所示。

圖2 構(gòu)造區(qū)探測(cè)方式示意圖

3.2 不同類型構(gòu)造區(qū)加固范圍及層位

大量的研究表明，采場(chǎng)頂板控制關(guān)鍵因素在于煤壁。煤壁為頂板的支撐點(diǎn)，煤壁發(fā)生片幫破壞，誘發(fā)頂板冒落的概率大幅增加，單一加固頂板，并不能起到理想的作用，煤壁加固也應(yīng)作為重點(diǎn)。進(jìn)一步的研究表明，距離頂板0.135倍采高處煤壁最易先發(fā)生破壞，即煤壁中上部應(yīng)力集中區(qū)位置。

根據(jù)“控幫立頂”的技術(shù)思路，超前區(qū)深孔鉆孔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為上、下兩排，上排鉆孔加固煤壁上方1～2m厚度的頂板，下排鉆孔加固煤壁中上部。

加固層位：針對(duì)不同構(gòu)造類型，應(yīng)先做出工作面傾向剖面圖，在剖面圖上確定機(jī)采范圍和高度，鉆孔層位根據(jù)機(jī)采范圍進(jìn)行確定，對(duì)于陷落柱、軟煤區(qū)、復(fù)合頂板類型構(gòu)造，工作面基本平行通過，機(jī)頭至機(jī)尾機(jī)采范圍基本為一水平線均勻變化，而斷層構(gòu)造則需要支架變坡過斷層，機(jī)采范圍變化大，必須更加注意，斷層構(gòu)造鉆孔布置如圖3所示。

圖3 斷層構(gòu)造鉆孔布置方式示意圖

加固范圍：對(duì)于斷層，加固范圍為斷層面附近及支架在傾向上揭煤區(qū)域，如圖3所示；對(duì)于陷落柱，陷落柱中部多存在硬核，需要爆破通過，薄弱區(qū)域?yàn)橄萋渲c煤巖體交界面，加固范圍應(yīng)為交界面位置，不需要穿透注漿，如圖4所示；對(duì)于軟煤區(qū)、復(fù)合頂板，則需要整體穿透加固，如圖1所示。

圖4 陷落柱加固范圍示意圖

3.3 注漿材料

以往多采用普通水泥，漿液水灰比1：1，配合水玻璃使用。存在2個(gè)問題：

1）材料強(qiáng)度低。普通水泥和易性差，必須使用較多的水才能配置成流動(dòng)性較好的漿液，水灰比為材料強(qiáng)度的根本，水灰比越大，強(qiáng)度越低，且強(qiáng)度增長越緩慢；

2）材料細(xì)度低。普通水泥僅有200目左右，粒徑較大，配合較大水灰比使用，漿液容易發(fā)生泌水、沉淀，擴(kuò)散性能差，微小裂隙難以進(jìn)入，造成注漿效果差。

針對(duì)普通水泥的缺點(diǎn)，河南力行科創(chuàng)礦山技術(shù)開發(fā)有限公司研發(fā)了一種超細(xì)水泥注漿材料，細(xì)度1000目以上，是普通水泥的5倍，并通過外加劑調(diào)整施工性能，優(yōu)勢(shì)如下：

1）漿液不發(fā)生泌水、沉淀，擴(kuò)散性能好。由于細(xì)度高，懸浮性好，漿液均勻，在流動(dòng)和靜置條件下均不會(huì)發(fā)生沉淀，且材料細(xì)度足夠，可以滲入微小裂隙，起到更好的擴(kuò)散效果；

2）施工性能好。通過外加劑的加入，減小水灰比至0.6：1，漿液具備40min左右良好的流動(dòng)性，滿足漿液制備、管路輸送、孔內(nèi)流動(dòng)擴(kuò)散所需時(shí)間，1h后變稠至膠水狀，防止?jié){液流失，10h后強(qiáng)度快速增長；

3）強(qiáng)度增長快。由于采用較小的水灰比，且細(xì)度高提高了材料的活性，強(qiáng)度增長迅速，1d單軸抗壓強(qiáng)度16MPa以上，3d單軸抗壓強(qiáng)度25MPa以上，滿足工作面快速推進(jìn)的時(shí)效性要求。

3.4 注漿壓力

煤礦注漿隨意性大，對(duì)于注漿壓力選擇不夠重視，往往是根據(jù)已有注漿設(shè)備，注漿泵達(dá)到額定注漿壓力，或者出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿即停止注漿，注漿效果難以保證。

長期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，構(gòu)造區(qū)內(nèi)存在大裂隙、小裂隙、微裂隙，尤其對(duì)于超前預(yù)注，受采動(dòng)影響小，部分裂隙貫通性差，必須通過高壓劈裂方式，將原本不貫通的裂隙進(jìn)行連通，使絕大多數(shù)裂隙被漿液填充。根據(jù)煤巖體抗拉強(qiáng)度，高壓劈裂注漿壓力選擇20～30MPa。

3.5 合理注漿時(shí)機(jī)

研究合理注漿時(shí)機(jī)的目的是確定注漿時(shí)機(jī)與工作面推進(jìn)的關(guān)系。從時(shí)間角度考慮，深孔預(yù)注漿越早越好，有充足的施工時(shí)間，工作面推進(jìn)到構(gòu)造區(qū)時(shí)可以直接通過。但從裂隙發(fā)育規(guī)律的角度，提倡超前支承壓力區(qū)注漿方式，即在工作面前方0～50m范圍進(jìn)行注漿，主要原因是工作面超前影響范圍約為0～60m，受壓力作用，構(gòu)造內(nèi)裂隙逐漸張開，貫通性提高，可注性增強(qiáng)，且圍巖并未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，仍具備較高的承載能力，此時(shí)進(jìn)行注漿能夠取得更好的擴(kuò)散效果。

結(jié)合時(shí)間和裂隙發(fā)育規(guī)律兩個(gè)因素，一般采取提前打鉆、封孔，進(jìn)入超前支承壓力區(qū)之后再注漿的方式。

3.6 施工質(zhì)量

上述分析較為全面的探討了深孔預(yù)注漿的關(guān)鍵因素，為鉆孔注漿方案設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，而現(xiàn)場(chǎng)施工是整個(gè)注漿加固工作的重要一環(huán)。

構(gòu)造區(qū)注漿為隱蔽性工程，鉆孔深度大，鉆桿存在下沉及回轉(zhuǎn)問題，精確定向困難；注漿是否能夠保證達(dá)到注漿壓力，依賴現(xiàn)場(chǎng)施工人員責(zé)任心；實(shí)際鉆孔層位與設(shè)計(jì)方案中出現(xiàn)差異，是否能夠及時(shí)調(diào)整，都影響到整個(gè)注漿加固工程質(zhì)量。因此，必須有一支經(jīng)驗(yàn)豐富、責(zé)任心強(qiáng)的專業(yè)施工隊(duì)伍進(jìn)行實(shí)施。

3.7 化學(xué)漿使用

超前深孔預(yù)注漿主要目的是填充絕大部分裂隙，必然存在未被加固的裂隙，且超前支承壓力區(qū)注漿完成后，工作面通過前，仍要受數(shù)天的壓力影響，部分裂隙重新張開，需要進(jìn)行化學(xué)漿補(bǔ)注，且超細(xì)水泥注漿材料為無機(jī)材料，粘接性差，出現(xiàn)片幫時(shí)仍需要依賴化學(xué)漿的粘接能力。因此深孔預(yù)注漿的意義在于減少化學(xué)漿用量，降低70%以上的注漿成本，并不能完全替代化學(xué)漿。

4 結(jié)論

1）工作面出現(xiàn)片幫、冒頂后，化學(xué)漿處理屬于滯后的應(yīng)急處理措施，存在停采引起的破壞程度增大、注漿成本高昂、發(fā)火危險(xiǎn)等問題；

2）介紹了構(gòu)造區(qū)超前深孔預(yù)注漿加固方式，即超前工作面一定范圍，在兩條順槽內(nèi)，向中部施工深孔鉆孔，進(jìn)行注漿加固；

3）從構(gòu)造區(qū)精準(zhǔn)探測(cè)、不同構(gòu)造類型加固范圍和加固層位、注漿材料、注漿壓力、注漿時(shí)機(jī)、施工質(zhì)量、化學(xué)漿使用認(rèn)識(shí)等7個(gè)關(guān)鍵問題出發(fā)，分析了目前深孔預(yù)注漿存在的認(rèn)識(shí)不足和施工質(zhì)量問題。