徐志遠(yuǎn)

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第三水文地質(zhì)隊(duì)， 河北 邯鄲 056006)

1 前言

巷道掘進(jìn)過程中，經(jīng)過斷層構(gòu)造帶時(shí)常出現(xiàn)支護(hù)難度極大、巷道后期變形嚴(yán)重等現(xiàn)象，由于斷層構(gòu)造帶區(qū)域巖層比較破碎、強(qiáng)度低，整體穩(wěn)定性差，錨桿支護(hù)時(shí)無穩(wěn)定著力點(diǎn)，即使采用傳統(tǒng)U型鋼支護(hù)，也會(huì)出現(xiàn)后期變形嚴(yán)重的現(xiàn)象，如果出現(xiàn)大型斷層，斷距更大，支護(hù)難度將更大。因此，需要改善構(gòu)造區(qū)域整體巖層穩(wěn)定性，對(duì)構(gòu)造帶區(qū)域進(jìn)行提前注漿可以有效提高掘進(jìn)巷道周圍巖層整體穩(wěn)定性[1-3]。如果進(jìn)行井下注漿，將會(huì)影響巷道掘進(jìn)效率；由于井下鉆機(jī)施工扭矩有限，井下施工超前注漿工藝只能分段注漿，注漿區(qū)域缺乏完整性，后期支護(hù)依舊存在諸多風(fēng)險(xiǎn)。目前地面注漿技術(shù)日益成熟，千米定向鉆機(jī)于20世紀(jì)70年代開始起步，日本、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家均已經(jīng)研制出超過1 000 m的鉆機(jī)。我國(guó)千米定向鉆機(jī)技術(shù)于20世紀(jì)90年代開始起步，目前技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限責(zé)任公司研究出ZYWL- 6000D、ZYWL- 6000DS和ZYWL- 4000D型煤礦用全液壓鉆機(jī)，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司生產(chǎn)的ZDY6000LD(A)、ZDY6000LD(F)型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)，北方交通生產(chǎn)的ZDY3500L煤礦用履帶式液壓坑道鉆機(jī)等[4-7]。采用定向長(zhǎng)鉆孔施工到大型斷層構(gòu)造區(qū)域，可精確解決巷道支護(hù)問題[8-12]。本文以崔家溝煤礦2309回風(fēng)巷掘進(jìn)穿過F19斷層過程為研究對(duì)象，采用地面注漿技術(shù)對(duì)斷層區(qū)域進(jìn)行超前注漿，注漿完成后，巷道通過綜掘掘進(jìn)，安全通過該區(qū)域，且支護(hù)效果良好。支護(hù)完成后對(duì)支護(hù)區(qū)域頂板進(jìn)行為期180 d的觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果顯示，地面注漿技術(shù)有效解決了該巷道通過大型斷層區(qū)域支護(hù)困難問題。

2 礦井及掘進(jìn)巷道概況

崔家溝煤礦核定產(chǎn)能1.95 Mt/a，礦井為高瓦斯礦井，主采煤層為4-2號(hào)煤層，平均煤層厚度9 m，采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤開采，采高3 m，放頂4.5 m，臥底0.5 m，基本完成回采要求。

礦井目前正在回采工作面為2311綜放面，備采面為2309工作面，其中巷道掘進(jìn)區(qū)域距離地面平均距離為360 m。2311運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中出現(xiàn)大型斷層，經(jīng)過鉆探，該斷層為F19斷層，斷距3 m，∠70°，斷層距離切眼210～260 m，具體位置如圖1所示。

圖1 巷道相對(duì)位置圖

3 地面注漿工程實(shí)施

3.1 注漿泵系統(tǒng)及鉆具

漿液由地面制作完成后通過鉆孔注入斷層位置，漿液為普通礦渣硅酸鹽水泥漿液，使用高速渦輪之降級(jí)制作，制作好的漿液儲(chǔ)存在存儲(chǔ)罐內(nèi)，通過泵站加壓進(jìn)行注漿，注漿壓力為13 MPa，流量保持在35 L/min 以上。制漿機(jī)如圖2所示，儲(chǔ)存罐如圖3所示。

圖2 高速渦流制漿機(jī)

圖3 注漿材料存儲(chǔ)罐

鉆機(jī)采用ZYL- 17000D礦用履帶式全液壓定向鉆機(jī)，扭矩17 000 Nm，鉆桿均為通纜鉆桿，隨時(shí)對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

整套設(shè)備見表1。

表1 鉆具材料表

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)

鉆孔設(shè)計(jì)圖如圖4所示，設(shè)計(jì)鉆孔4個(gè)鉆孔平均通過煤層頂板上部位置。鉆孔參數(shù)見表2。

圖4 鉆孔設(shè)計(jì)圖

表2 鉆孔參數(shù)表

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，首先施工定向鉆孔，每個(gè)鉆孔施工完畢后即可進(jìn)行注漿作業(yè)，注漿過程中對(duì)注漿壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)壓力增大到15 MPa時(shí)停止注漿作業(yè)，根據(jù)測(cè)試，注漿到達(dá)15 MPa時(shí)，即可滿足現(xiàn)場(chǎng)注漿要求。

注漿過程中，每10 m注漿一次，采用分段注漿工藝，大裂隙注漿時(shí)間10～15 min，中、小裂隙注漿時(shí)間控制在15～30 min。漿液為水泥漿，水灰比1∶1.08，水泥漿中加入速凝劑。

4 效果監(jiān)測(cè)

當(dāng)注漿作業(yè)完成后，開始進(jìn)行正常掘進(jìn)作業(yè)，掘進(jìn)后支護(hù)方式為錨桿支護(hù)+U型鋼支護(hù)方式，巷道斷面和2311工作面運(yùn)輸巷道基本一致。巷道支護(hù)如圖5所示。

圖5 巷道斷面支護(hù)措施圖

支護(hù)完成后對(duì)安裝頂板離層儀進(jìn)行觀測(cè)，為分析注漿作業(yè)是否有效，對(duì)2309回風(fēng)巷穿過F19斷層區(qū)域頂板位移變化進(jìn)行為期180 d的觀測(cè)，將2311運(yùn)輸巷道穿過F19斷層時(shí)支護(hù)完成后180 d的頂板位移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)據(jù)對(duì)比分析情況如圖6所示。由圖6可知，2311運(yùn)輸巷道進(jìn)行同樣支護(hù)后180 d內(nèi)深部最大位移量達(dá)到500 mm，淺部最大位移量達(dá)到300 mm，巷道位移量較大，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)局部大面積下沉、垮落等現(xiàn)象，需要進(jìn)行二次維修支護(hù)作業(yè)。2309回風(fēng)巷道在支護(hù)后180 d時(shí)間段內(nèi)，深部最大位移量為200 mm，淺部最大位移量為90 mm，和2311運(yùn)輸巷道相對(duì)比，深部位移量降低了60%，淺部位移量降低了70%，巷道整體完成性較好，位出現(xiàn)垮落或局部區(qū)域下沉嚴(yán)重現(xiàn)象。因此，地面注漿作業(yè)有效增強(qiáng)了F19斷層區(qū)域巖層完整性，保證了巷道支護(hù)強(qiáng)度。

圖6 頂板位移量對(duì)比圖

5 結(jié)論

巷道掘進(jìn)通過大型斷層構(gòu)造帶過程中支護(hù)難度極大，本文以崔家溝煤礦2309回風(fēng)巷道掘進(jìn)通過F19斷層為研究對(duì)象，通過施工地面注漿技術(shù)，進(jìn)行后期效果監(jiān)測(cè)得到以下結(jié)論：

(1)千米定向鉆機(jī)可以施工到設(shè)計(jì)位置點(diǎn)，且保證注漿作業(yè)。

(2)F19斷層區(qū)域施工完成地面注漿作業(yè)，進(jìn)行后期支護(hù)后，和鄰近2311運(yùn)輸巷道未進(jìn)行注漿加固區(qū)域相對(duì)比，180 d深部最大位移量降低了60%，淺部位移量降低了70%，有效控制了巷道掘進(jìn)過程中支護(hù)問題。