高 偉

（山西晉煤集團(tuán)坪上煤業(yè)有限公司，山西 沁水 048200）

中小型斷層會(huì)對(duì)礦井工作面回采產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致煤質(zhì)變差、回采率降低，并影響煤炭產(chǎn)量[1-4]。在目前的煤炭形勢(shì)下，采取粗放的回采管理模式已經(jīng)不能滿足對(duì)煤質(zhì)、安全和生產(chǎn)效率的要求。因此對(duì)斷層進(jìn)行注漿加固改造成為了一種主流的應(yīng)對(duì)方式。在目前采用的注漿材料中，普通水泥因?yàn)榧?xì)度、材料性質(zhì)等問題難以滿足要求，效果欠佳。因此，尋找優(yōu)質(zhì)注漿材料，采用合理的注漿工藝，有效提高煤巖體強(qiáng)度，成為斷層注漿加固的關(guān)鍵問題。

1 工程概況

坪上煤礦11040 工作面位于一水平11 采區(qū)，主采二1 煤層，平均煤厚4.85m，平均傾角5°。工作面走向長(zhǎng)1150m，傾向長(zhǎng)155m，采用綜采放頂煤開采方法，全部垮落法管理頂板。切眼采高2.8m，放煤高度1.5～2.9m。工作面下巷在掘進(jìn)過程中揭露1條正斷層DF15，落差4.8m，傾角80°，對(duì)回采產(chǎn)生較大影響。下巷揭露斷層位置為切眼向外170m處，斷層尖滅端預(yù)計(jì)位置為工作面向外350m 處。

2 斷層位置探查及注漿鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 斷層探查

本次斷層注漿加固的首要問題是對(duì)斷層的準(zhǔn)確探查，只有準(zhǔn)確掌握了斷層位置，才能在確定工作面機(jī)采高度的基礎(chǔ)上，對(duì)注漿孔參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保注漿鉆孔能夠進(jìn)入需要加固的層位，起到較好的注漿效果。在11040 工作面形成系統(tǒng)之后，首先對(duì)該工作面進(jìn)行了地震槽波勘探，在地震槽波結(jié)論的基礎(chǔ)上，在下順槽設(shè)計(jì)了鉆孔對(duì)斷層進(jìn)行探查。探查情況如圖1 所示。

圖1 DF15 斷層探查示意圖

2.2 注漿鉆孔設(shè)計(jì)

通過鉆孔準(zhǔn)確地探查斷層斷盤位置和煤層分布情況，按照探查情況進(jìn)行注漿加固鉆孔的設(shè)計(jì)。

2.2.1 注漿鉆孔設(shè)計(jì)次序

本次選取1-3#鉆孔、補(bǔ)6#鉆孔、補(bǔ)5-1#鉆孔、3-2#鉆孔，共4 個(gè)鉆孔，在距切眼195m、225m、245m、280m 處，根據(jù)鉆孔探測(cè)情況，分別繪制了切眼回采至此位置時(shí)的預(yù)想剖面圖。在剖面圖首先確定機(jī)采高度，然后根據(jù)注漿目的設(shè)計(jì)注漿鉆孔。先在上述4 個(gè)探查鉆孔位置處設(shè)計(jì)注漿鉆孔，再依次設(shè)計(jì)其他鉆孔。

為了確保盡量多采煤，提高回采率，機(jī)采高度確定的原則有兩個(gè)：（1）支架上抬角度盡量大，確保少破巖，但最大不超10°。（2）當(dāng)機(jī)尾進(jìn)入上盤后距斷層面的距離L＜5m 時(shí)，直接上抬支架進(jìn)入下盤煤體；當(dāng)5m＜L＜25m 時(shí)，先不上抬支架，回采至機(jī)尾距斷層面5m 時(shí)上抬；當(dāng)L＞25m 時(shí)，先臥底進(jìn)行放頂煤，待機(jī)尾距斷層面8m 時(shí)上抬。支架進(jìn)入斷層上盤后恢復(fù)。

2.2.2 注漿孔設(shè)計(jì)原則

在工作面下巷內(nèi)幫開孔，鉆孔分上下兩排布置。下排孔開孔距底1m，終孔位置控制在機(jī)采高度內(nèi)，且要求進(jìn)入煤層下盤8m；上排孔開孔距底2m，終孔位置位于機(jī)采高度上部，且進(jìn)入煤層頂板5m。上、下排注漿孔相間布置，孔間距均為10m，施工孔徑為75mm。

以1-3#鉆孔探查情況為例，繪制剖面圖如圖2所示。

圖2 1-3#探孔處注漿孔布置圖

2.2.3 注漿孔施工范圍及布置方式

注漿孔施工范圍為工作面切眼向外170～350m，總長(zhǎng)180m。根據(jù)斷層探查情況，以4 個(gè)典型鉆孔為參考，依次設(shè)計(jì)其他注漿鉆孔。本次共設(shè)計(jì)鉆孔37 個(gè)，孔深44～76m。注漿孔設(shè)計(jì)圖如圖3 所示，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖3 注漿鉆孔布置圖

表1 注漿鉆孔參數(shù)表

3 注漿參數(shù)

3.1 注漿和堵漏材料選擇

3.1.1 注漿材料選擇

深孔注漿具有以下特性：

（1）孔深大，漿液流動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)

漿液應(yīng)該具有較好的流動(dòng)性，使其能夠在煤體中充分?jǐn)U散；同時(shí)材料要具備良好的懸浮性能，以避免漿液流動(dòng)過程中水、料分離。

（2）終孔裂隙發(fā)育不良

實(shí)體煤中裂隙較不發(fā)育，裂隙開度小且貫通性差。要求注漿材料顆粒超細(xì)，以便漿液能進(jìn)入裂隙深部，同時(shí)可以配合采用高壓注漿打開裂隙。

（3）要求時(shí)效性要好

由于注漿區(qū)域要求在采動(dòng)影響范圍內(nèi)，超前距離短，而綜采工作面回采速度快，所以預(yù)留時(shí)間較短，要求漿液能快速凝固且具有較高強(qiáng)度。

基于超前深孔注漿以上特性，本次采用超細(xì)水泥作為單液注漿材料。其細(xì)度為1250 目，水灰比0.6:1。注漿材料加水混合均勻后，1h 內(nèi)流動(dòng)性好，不泌水，隨后逐漸固化，2～3h 內(nèi)失去流動(dòng)性，10h后完全固化，并且強(qiáng)度快速增加，1d 后抗壓強(qiáng)度約15MPa，3d 后抗壓強(qiáng)度為25MPa，7d 后抗壓強(qiáng)度為30MPa。

3.1.2 堵漏材料選擇

根據(jù)以往的注漿經(jīng)驗(yàn)，超細(xì)水泥單漿液可滿足斷層注漿加固的需要，但由于漿液非常細(xì)，在實(shí)際注漿過程中經(jīng)常出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，導(dǎo)致注漿量少，無(wú)法達(dá)到期望的加固效果。因此在注漿過程中需要選擇堵漏材料與超細(xì)水泥單漿液配合使用。

本次選擇的堵漏材料為雙漿液混合材料，由兩組粉料構(gòu)成，水灰比1:1。攪拌均勻后3～5min 即可失去流動(dòng)性，30min 內(nèi)凝固，2h 后材料強(qiáng)度可接近10MPa，堵漏效果較好。在出現(xiàn)漏漿時(shí)，可與超細(xì)水泥單漿液交替使用，增加注漿量。

3.2 注漿時(shí)機(jī)的確定

對(duì)斷層影響帶進(jìn)行注漿加固要做到兩點(diǎn)：（1）要求盡量多注漿，提高加固效果；（2）注漿加固后盡量避免產(chǎn)生二次破壞。所以要根據(jù)工作面的回采進(jìn)度合理確定注漿時(shí)機(jī)。

根據(jù)工作面動(dòng)壓影響范圍分析，工作面向外約55m 為采動(dòng)影響范圍，其受到超前支撐壓力的作用，裂隙開度較大，貫通性較好，其中0～20m 范圍內(nèi)影響較大。切眼向外55m 范圍以外幾乎不受采動(dòng)影響，為原巖應(yīng)力區(qū)，裂隙發(fā)育程度較低，注漿效果差，注漿后還容易受到采動(dòng)影響二次破壞。因此有效的注漿范圍為0～55m。但是由于綜采工作面回采速度快，在切眼向外20m 范圍內(nèi)注漿不但容易導(dǎo)致漿液凝固時(shí)間不足，較高的裂隙發(fā)育程度還有可能導(dǎo)致頻繁漏漿，影響注漿效果。

為了保證工作面有足夠的回采時(shí)間，且注漿區(qū)域裂隙發(fā)育較好，根據(jù)以往注漿經(jīng)驗(yàn)，將工作面超前20～40m 時(shí)定為合理注漿時(shí)機(jī)，并隨著工作面推進(jìn)依次注漿。

3.3 終孔注漿壓力

高壓注漿可以打開煤巖中的微小裂隙，并使裂隙貫通。通過對(duì)工作面巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定最高注漿壓力26～32MPa，即終孔注漿壓力為26～32MPa。

4 注漿工程量及注漿效果

4.1 注漿工程量

本次共施工37 個(gè)注漿孔，實(shí)際進(jìn)尺2104m，共消耗注漿材料122.1t，單孔平均注漿量為3.3t，最大單孔注漿量為11t。

4.2 注漿效果

工作面回采進(jìn)入加固區(qū)域前50m，共發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象3 次，其中片幫深度1～2.2m，冒頂高度1.2～3.5m，長(zhǎng)度超過10m，對(duì)工作面正?；夭稍斐闪瞬涣加绊懀ぷ髅婊夭伤俣扔?m/d 降至0.8m/d。見圖4（a）。進(jìn)入加固區(qū)域后，工作面煤墻未發(fā)生冒頂情況，且最大片幫深度不足0.8m，長(zhǎng)度不超過5m，工作面順利回采，平均回采速度達(dá)2.2m/d。見圖4（b）。

圖4 注漿前后對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)斷層進(jìn)行注漿加固，首先要對(duì)斷層位置進(jìn)行準(zhǔn)確探查，在此基礎(chǔ)上確定機(jī)采高度范圍，并根據(jù)斷層情況確定支架上抬位置，有利于注漿鉆孔設(shè)計(jì)。

（2）深孔注漿宜選用流動(dòng)性好、顆粒超細(xì)和強(qiáng)度快速增長(zhǎng)的水泥單漿液注漿材料，同時(shí)在漏漿時(shí)配合雙漿液材料進(jìn)行堵漏，兩種材料交替使用可確保最大注漿量。

（3）通過對(duì)工作面受采動(dòng)應(yīng)力分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定超前工作面20～40m 為最佳注漿區(qū)域。該區(qū)域即可保證較大的注漿量，又不會(huì)受到二次采動(dòng)應(yīng)力破壞，可提高加固效果。