孟祥帥，魯海峰，年 賓，于 玉

（1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001；2.中勘資源勘探科技股份有限公司，安徽 淮北235000）

開采近距離分岔煤層時，上部煤層的開采會導(dǎo)致下部煤層頂板嚴重破碎，使下部煤層頂板成為采空區(qū)垮落帶，其破碎頂板易超前漏冒，煤壁易片幫，圍巖控制困難，難以實現(xiàn)工作面安全高效開采[1-6]。為保證生產(chǎn)安全，提高煤炭產(chǎn)量，國內(nèi)眾多學(xué)者針對垮落帶直覆下采煤破碎頂板加固問題開展了大量研究，主要是從加強頂板支護方面入手，采用鋪鋼絲網(wǎng)、錨桿加固、注漿固化等措施控制破碎頂板[7-9]，其中最有效的方法是注漿固化，通過注漿鉆孔將漿液注入破碎頂板使其固結(jié)成1 個整體，保證其在采動過程中不發(fā)生坍塌，該方法在生產(chǎn)實踐中得到了大量驗證[10-17]。目前破碎頂板加固一般采用井下注漿，如李鵬等[18]以余吾煤業(yè)N2202 工作面為背景，研究了注漿加固作用機理及永固S 注漿材料的力學(xué)性能，對片幫嚴重的工作面采取超前拉架、井下上向孔注漿等措施成功控制住了煤壁和頂板。王全明[19]針對趙莊煤業(yè)1307 大采高工作面軟弱復(fù)合頂板容易發(fā)生冒頂?shù)墓こ虒嶋H，采用兩煤巷超前深孔注漿加固，使工作面片幫冒頂?shù)玫矫黠@改善。陳金宇[20]以寺家莊礦15106 大采高孤島工作面破碎頂板為研究對象，提出在回風(fēng)巷超前深孔后退式分段復(fù)合預(yù)注漿進行加固，并運用UDEC 模擬軟件確定了最佳注漿參數(shù)及注漿后破碎頂板的膠結(jié)狀態(tài)。雖然井下注漿方式應(yīng)用較廣，但仍存在不少缺陷，如漿液在無壓條件下自由擴散不均勻，無法做到大面積覆蓋，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、鉆孔工程量大等，嚴重影響工作面的接替及高效回采。地面注漿則以其施工條件好，漿液擴散易控制而具有很大優(yōu)勢，但地面注漿因施工工藝復(fù)雜，技術(shù)要求較高[21-23]，目前多用于地基處理[24]、隧道加固[25]、地面減沉[26-27]等淺表工程，將其用于分岔煤層破碎頂板加固報道較少。為此，針對許疃煤礦7228 工作面垮落帶直覆下采煤破碎頂板加固問題，提出地面注漿加固思路，從漿液選擇、鉆探技術(shù)及注漿工藝等方面對地面注漿加固破碎頂板施工工藝進行了研究，并通過地面探查、井下物探和回采實揭頂板進行注漿效果評價，為后續(xù)類似條件下的注漿工程提供技術(shù)借鑒。

1 工程背景

許疃煤礦82下采區(qū)位于井田西北部，主采71、72、82煤層，71煤與72煤呈分岔合并關(guān)系，淺部分岔，深部合并，71-72分岔煤層示意圖如圖1。

圖1 71-72 分岔煤層示意圖Fig.1 Sketch map of 71-72 spliting coal seam

7228 工作面位于82下采區(qū)上山右翼第1 階段，西為7226 工作面。工作面走向長1 421 m，傾斜寬245 m，整體呈南北走向，向東傾斜的單斜構(gòu)造。工作面里段地面標高+25.56 m，松散層厚348.30 m；里段260 m 為71、72煤層合并區(qū)，其上段130 m 上覆7128 工作面已于2007 年回采，下段110 m 為72煤合并未回采區(qū)域；工作面外段上覆71煤層7128、71210 工作面已于2007 年、2009 年回采；72煤層距上覆采空區(qū)0～13 m，平均6.83 m。煤巖層傾角5°～30°，平均12°，工作面開采標高-417.9～-528.3 m。7228 工作面平面圖如圖2。采煤工藝為綜合機械化采煤，直接垮落法管理頂板。

圖2 許疃煤礦7228 工作面平面圖Fig.2 7228 working face plan of Xutuan Coal Mine

受71煤層已回采影響，72煤層直接頂板破碎，支護困難。相鄰7226 工作面，上覆采空區(qū)下開采，回采過程中受采空區(qū)影響頂板破碎，推進度少，產(chǎn)能底，很大程度影響工作面乃至礦井的高產(chǎn)高效，考慮到7226 工作面先例，為提高破碎頂板特殊地質(zhì)條件下的開采安全、解決7228 工作面里段回采所面臨的工程地質(zhì)問題，確保7228 工作面安全高效開采，采用地面注漿技術(shù)對72煤層頂板進行注漿加固。

2 破碎頂板注漿加固技術(shù)

2.1 注漿方案

在7118 近機巷側(cè)、71210 切眼附近分2 期布置地面鉆孔，注漿孔布置示意圖如圖3。一期布置X1、X2 和X3 3 個鉆孔，二期增補X4、X5 和X6 3 個鉆孔，如圖3（a），終孔于71煤層采空區(qū)下界3 m 左右，如圖3（b）。建設(shè)地面注漿站，注入水泥-粉煤灰液漿，對71煤層采空區(qū)進行注漿改造，通過漿液有效地改善采空區(qū)膠結(jié)狀態(tài)，使破碎頂板重新形成1個整體，以期實現(xiàn)7228 工作面的安全高效開采。

2.2 漿液選擇

圖3 注漿孔布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of borehole layout

目前常用的注漿材料有3 類，固體顆粒注漿材料、化學(xué)注漿材料和精細礦物注漿材料[28]。這3 類注漿材料在適用范圍、固結(jié)效果和施工成本等方面各有優(yōu)缺點，注漿材料優(yōu)缺點見表1。

表1 注漿材料優(yōu)缺點[28]Table 1 Advantages and disadvantages of grouting materials

在綜合分析以上3 類注漿材料的基礎(chǔ)上進行漿液選擇時，主要從工程需要和工程成本2 方面考慮。在工程需要上，7228 工作面頂板為垮落帶直覆下的煤層頂板，其加固的主要目的是充填采動裂隙，增強其穩(wěn)定性，要求漿液流動性好，結(jié)石體強度低，且漿液需要適當長的凝結(jié)時間；在工程成本方面，固體顆粒注漿材料相對于另外2 類材料造價低，施工方便，且應(yīng)用廣泛。結(jié)合以上2 點，認為水泥作為1 種成熟的注漿材料，適宜對采空區(qū)進行注漿[29-30]。因水泥的價格相對于粉煤灰較高，在水泥漿中加入適量的粉煤灰，雖然降低了強度，但能改善漿液的性能，且顯著降低工程成本，因此，水泥-粉煤灰液漿作為7228工作面注漿工程的優(yōu)先材料選擇。

為了解漿液物理性能，確定最佳漿液配比，對水泥、粉煤灰材料配比進行試驗研究，從漿液析水率、漿液密度、漿液凝結(jié)時間等角度出發(fā)，設(shè)計了漿液靜置試驗、漿液析水試驗和漿液配比試驗。

1）在水灰比1∶1 的基礎(chǔ)上，固相比2∶8 的材料配比流動性整體較好，結(jié)石體強度在1 MPa 之上，且凝結(jié)時間較長，又因其粉煤灰量較大，既增加了漿液的性能，又降低了工程成本。

2）基于工程需要和經(jīng)濟成本考慮，在進行7228工作面地面注漿加固頂板工程時，水灰比定為1∶1，固相比定為2∶8，水泥∶粉煤灰∶水配比2∶8∶10 的配比方案為最佳選擇。

2.3 鉆探技術(shù)

鉆孔穿過頂板破碎帶時可能會面臨沖洗液漏失、孔壁坍塌、卡鉆、埋鉆等問題，解決這些問題的主要方法是設(shè)計良好的鉆孔結(jié)構(gòu)以及完善的成孔工藝。在鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，考慮到成孔后注漿過程也會產(chǎn)生孔壁坍塌等情況，因此為確保漿液順利注入目標層位，將鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計為二開結(jié)構(gòu)，注漿孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖4，鉆孔分為一、二套管。一開套管設(shè)計目的是護壁，防止孔壁坍塌，保證鉆進形成完整孔，二開套管設(shè)計目的是導(dǎo)液，保證漿液直接輸送到套管底部的注漿目的段。

為保證順利成孔，在成孔工藝上，使用三步措施：①一開套管結(jié)構(gòu)，保障鉆孔在下部穿層時，上覆地層不坍塌；②調(diào)整漿液黏度，形成有效護壁，使鉆孔穿過采空區(qū)減少坍塌；③使用沖洗液來回沖孔，沖掉坍塌的巖塊，保證鉆孔可以持續(xù)鉆進。

鉆進施工分為2 步，一開鉆進采用φ130 mm 孔徑鉆進至基巖，而后用φ216 mm 擴孔器擴孔，下入φ177.8 mm×8.05 mm 護壁套管；二開鉆進先采用φ91 mm 孔徑進行鉆進，鉆進穿過上部煤層采空區(qū)至下部煤層底板后進行測井。然后采用φ152 mm 帶導(dǎo)向擴孔鉆頭進行擴孔，直至孔底，注漿孔參數(shù)見表2。在二開施工過程中，發(fā)現(xiàn)孔壁不穩(wěn)定，易塌孔、掉塊，沖洗液漏失情況，采用稀泥漿進行了頂漏鉆進，確保成孔質(zhì)量。

圖4 注漿孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of grouting hole structure

表2 注漿孔參數(shù)Table 2 Grouting hole parameters

2.4 注漿工藝

7228 工作面地面注漿工程主要目的是充填加固72煤頂板上71煤采后“垮落帶”裂隙，增強其穩(wěn)定性。其工藝流程為：注漿設(shè)備安裝與調(diào)試、相關(guān)大型工程施工→（沖洗注漿段→安裝孔口裝置→）注漿系統(tǒng)試運轉(zhuǎn)并做耐壓試驗→壓（注）水試驗、水泥漿凝固試驗→確定注漿參數(shù)→造漿壓注→觀測、記錄與情況分析→拆洗注漿系統(tǒng)→壓（注）水試驗→優(yōu)化注漿參數(shù)，準備下一階段注漿。

7228 工作面地面注漿工程遵循以下原則：①注漿的目的層位是72煤頂板上71煤采后“垮落帶”裂隙；②當鉆孔未揭露目的層時，遇見沖洗液消耗或漏失現(xiàn)象采取調(diào)配泥漿堵漏鉆進，或頂漏鉆進；③在每次注漿前必須先（注）壓清水，穩(wěn)定時間60 min以上，獲取注水量，結(jié)合注漿前孔內(nèi)水位，計算單位吸水量和導(dǎo)水系數(shù)，為確定漿液濃度、泵壓、泵量提供依據(jù)；④注漿前設(shè)備應(yīng)認真調(diào)試，驗收合格后，方可正式注漿。

在注漿方式上，注漿工程前期采用孔口止?jié){、靜壓下行式注漿法。到注漿中后期則采用孔口止?jié){、下置注漿管至注漿段注漿。工程中設(shè)計了3 條注漿結(jié)束標準：①根據(jù)孔內(nèi)漿柱自重壓力確定注漿終壓選為4.0 MPa，當孔口壓力達到以上值時，即可認為受注層段注漿已達到壓力結(jié)束標準，當注漿終壓達到結(jié)束標準后，應(yīng)逐次換檔降低泵量，直至泵量不大于60 L/min，并維持30 min；②井下觀測效果已達設(shè)計要求，或井下跑漿、漏水和巷道變形嚴重；③漿液注入量已達設(shè)計注漿總量。以上3 條均可作為注漿結(jié)束標準。

3 注漿效果評價

注漿效果評價主要采用地面和井下2 種方式進行，地面通過對孔內(nèi)地層及水文情況進行觀測、分析，判斷注漿效果；井下則通過采掘施工前，對注漿區(qū)段進行超前探查、取樣，驗證注漿擴散半徑及注漿后工作面回采過程中的實際觀測來進行評價。

3.1 地面鉆探驗證

鉆探過程中對孔內(nèi)地層及水文情況觀測、分析得出：X4 孔在“裂隙帶”上部位置有沖洗液全漏失情況，整體漏失段及漏失量已降低，在部分層段消耗量＜3 m3/h。X5 孔在“裂隙帶”中上部無明顯消耗，消耗量＜0.5 m3/h，下部開始漏失量漸增，至71煤層采空區(qū)“垮落帶”處沖洗液才大量消耗及全漏失，漏失量＞15 m3/h。遇漏后通過調(diào)漿和簡易封堵可以減小漏失量甚至完全堵漏，表明注漿后裂隙已得到充填。X6孔在鉆進穿過72煤層頂板“裂隙帶”及“垮落帶”段過程中，沖洗液僅有微量消耗，消耗量0.02～0.08 m3/h，表明通過前期5 孔注漿治理區(qū)裂隙已得到完全充填。X4、X5、X6 孔在鉆進穿過72煤層頂板“裂隙帶”及“垮落帶”段過程中，孔內(nèi)掉塊現(xiàn)象減少甚至無掉塊，表明注漿后采空區(qū)破碎巖石膠結(jié)良好，注漿加固效果顯著。

3.2 物探驗證與井下觀測

注漿中期，在7228 工作面里段采用瞬變電磁法對頂板富水性進行了探測，結(jié)果顯示工作面煤層頂板向上0～60 m 范圍內(nèi)存在3 處低阻異常區(qū)（YC1～YC3），其中YC2 低阻區(qū)為本工作面煤層頂板較強富水區(qū)。為探驗證注漿加固效果，查明異常區(qū)砂巖富水性和注漿析出水殘余情況，對瞬變電磁探測異常區(qū)采用頂板鉆探手段，共設(shè)計施工3 組9 個探放孔。鉆孔施工后均無出水現(xiàn)象，鉆探結(jié)果顯示3 處物探低阻異常區(qū)不富水。隨后在7228 工作面里段（X6孔注漿范圍段）采用瞬變電磁法對煤層頂板富水性進行探測，探測區(qū)域頂板5～60 m 范圍視電阻率值較高，無低阻異常區(qū)，說明漿液有效地充填了采動裂隙。

注漿結(jié)束后，7228 開始正?；夭桑诠ぷ髅婊夭?5 m 時采線距X1 孔5 m，工作面110#～140#架開始揭露注漿頂板，平均厚200 mm，其中127#架較為明顯，井下實揭72煤層頂板如圖5。對比注漿前后，破碎巖石均膠結(jié)成完整結(jié)石體，表明頂板注漿改造效果良好。

圖5 井下實揭72 煤層頂板Fig 5 Underground uncovering 72 coal seam roof

4 結(jié) 論

1）為確定最佳漿液配比進行了漿液靜置試驗、漿液析水試驗和漿液配比試驗，得出固相比為2∶8的材料配比方案，其流動性能整體較好，結(jié)石體強度在1 MPa 之上，且凝結(jié)時間較長，又因粉煤灰量大，既增加了漿液的性能，又降低了工程成本。最終確定水灰比為1∶1，固相比2∶8 的材料配比方案為最佳選擇。

2）在鉆探技術(shù)方面，設(shè)計了二開結(jié)構(gòu)鉆孔，其中一套管起護壁作用，二套管起導(dǎo)液作用，一開鉆進至基巖，二開鉆進至目的層，鉆井過程中同時進行了鉆孔測井與頂漏鉆井，保證了成孔質(zhì)量。

3）設(shè)計了完善的注漿工藝，制定了注漿原則，注漿方式、單孔注漿結(jié)束標準以及注漿效果檢驗方法，保證了漿液順利注入目的層。

4）通過地面鉆探、井下物探和回采觀測等手段進行注漿效果評價，得出漿液沿破碎頂板空隙均勻擴散，有效充填了采空區(qū)裂隙，注漿結(jié)束后7228 工作面正常回采實揭頂板膠結(jié)良好，表明注漿加固效果顯著，72煤層破碎頂板得到了有效加固。