深孔無(wú)機(jī)注漿替代化學(xué)漿技術(shù)關(guān)鍵及制約因素分析

薛向陽(yáng)

(濟(jì)鑫煤業(yè)有限公司 留石村煤礦， 陜西 咸陽(yáng) 711300)

工作面以往過(guò)地質(zhì)構(gòu)造，為防止片幫冒頂，多采用提前預(yù)注化學(xué)漿方式加固煤壁和頂板，但化學(xué)漿控制范圍有限，成本高[1]. 自2015年開始，晉煤集團(tuán)聯(lián)合河南理工大學(xué)，展開深孔無(wú)機(jī)注漿材料及技術(shù)裝備攻關(guān)，目的是超前預(yù)注預(yù)防、大幅減少化學(xué)漿用量、降低注漿成本，并分別在趙莊礦、長(zhǎng)平礦、寺河礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，取得了較多成果[2-4]，但仍存在很多不足，本文針對(duì)深孔無(wú)機(jī)注漿技術(shù)關(guān)鍵和制約因素展開探討，以期能對(duì)深孔無(wú)機(jī)注漿技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 深孔無(wú)機(jī)注漿技術(shù)提出背景

當(dāng)工作面即將出現(xiàn)，或者已經(jīng)發(fā)生片幫冒頂情況時(shí)，煤礦多采用化學(xué)漿注漿加固，如馬麗散、波雷因等，化學(xué)漿反應(yīng)速度快，強(qiáng)度增長(zhǎng)快，黏接性強(qiáng)，注漿加固效果良好，但存在如下問(wèn)題：

1) 擴(kuò)散半徑小，只能在采面內(nèi)進(jìn)行，施工緊張，影響生產(chǎn)。2) 停采將會(huì)引起煤壁和頂板破壞范圍、程度增大，化學(xué)漿消耗量成倍增長(zhǎng)。3) 為事故后處理措施，不是預(yù)防性措施。4) 注漿成本極高。5) 有毒有腐蝕性、反應(yīng)高溫，易引起自燃。6) 影響煤質(zhì)，對(duì)電廠設(shè)備造成損害。

因此，有必要開展工作面兩巷深孔預(yù)注漿加固技術(shù)研究，提前加固構(gòu)造區(qū)煤壁和頂板，減小對(duì)回采的影響，減少化學(xué)漿使用量。

2 深孔無(wú)機(jī)注漿實(shí)施方式及技術(shù)關(guān)鍵

2.1 實(shí)施方式

針對(duì)構(gòu)造區(qū)范圍、特點(diǎn)，超前切眼一定距離，在兩順槽相應(yīng)位置向工作面內(nèi)部施工超前深孔，覆蓋整個(gè)異常區(qū)及邊緣，注漿示意圖見圖1. 采用高性能無(wú)機(jī)注漿材料，在合適的注漿時(shí)機(jī)對(duì)構(gòu)造區(qū)進(jìn)行預(yù)注漿加固，提高煤壁、頂板完整性和強(qiáng)度，減少片幫、漏頂，提高工作面推進(jìn)速度。

圖1 兩巷深孔注漿示意圖

2.2 技術(shù)關(guān)鍵

1) “淺層+深層”鉆孔布置方案。

淺層封閉：淺層煤巖體破碎，裂隙、錨桿索孔為主要漏漿通道，且作為工作面端頭應(yīng)力集中區(qū)，需要進(jìn)行注漿封閉加固，深度8 m左右。

深層擴(kuò)散加固：在淺層封閉的基礎(chǔ)上，施工深孔，高壓劈裂注漿、充分?jǐn)U散，對(duì)構(gòu)造及邊緣薄弱區(qū)域進(jìn)行加固。鉆孔布置方式見圖2.

圖2 “淺層+深層”鉆孔布置方式圖

2) 深孔鉆孔參數(shù)。

兩巷深孔注漿關(guān)鍵在于確定深孔鉆孔參數(shù)，包括開孔高度、深度、仰角、孔徑等。鉆孔直接決定了漿液流向和加固層位，對(duì)注漿效果影響極大。

鉆孔參數(shù)確定主要為鉆孔深度和鉆孔層位。鉆孔深度一般超過(guò)構(gòu)造區(qū)邊緣10～20 m為宜；鉆孔層位以“控幫立頂”為加固原則，一般設(shè)計(jì)上、下兩排鉆孔，上排鉆孔加固頂板，提高頂板完整性，防止冒頂，下排鉆孔加固煤幫，提高煤幫強(qiáng)度，減少片幫。

鉆孔確定步驟：深孔無(wú)機(jī)注漿加固的煤幫和頂板并不是傳統(tǒng)意義上的煤層和直接頂。因?yàn)樵诠ぷ髅孢^(guò)構(gòu)造，比如過(guò)斷層時(shí)，在斷層面附近機(jī)采高度范圍可能并不完全是煤，因此是以實(shí)際機(jī)采高度范圍為依據(jù)。在計(jì)劃進(jìn)行深孔加固的區(qū)域，根據(jù)煤層底板等高線、鉆探結(jié)果等，每隔5 m做一個(gè)傾向剖面，在傾向剖面上繪制實(shí)際機(jī)采高度范圍，并依據(jù)鉆孔深度和層位布置原則，在剖面圖上繼續(xù)繪制鉆孔，確定鉆孔參數(shù)，見圖3.

圖3 鉆孔確定步驟圖

3) 注漿加固材料。

淺層封堵時(shí)，由于表層裂隙孔洞多，漏漿嚴(yán)重，要求速凝早強(qiáng)，漏漿能夠及時(shí)凝固。因此，研發(fā)了雙液無(wú)機(jī)速凝材料，分為A型和B型，使用時(shí)加水分別攪拌，水灰比(0.8～1.2)∶1，然后混合?；旌蠞{1～3 min失去流動(dòng)性，8～15 min完全硬化；2 h強(qiáng)度10 MPa，1 d強(qiáng)度15 MPa，3 d強(qiáng)度17 MPa.

深層注漿時(shí)，由于鉆孔深度大，裂隙發(fā)育程度低，必須采用超細(xì)材料配合高壓注漿。因此，研發(fā)了超細(xì)水泥單液注漿材料，細(xì)度1 000目以上，是普通硅酸鹽水泥的5～6倍，材料顆粒能夠進(jìn)入微小裂隙；使用水灰比0.6∶1，加水?dāng)嚢韬螅?0 min內(nèi)流動(dòng)度不小于220 mm，流動(dòng)性良好，滿足深孔充分?jǐn)U散要求，且不會(huì)發(fā)生水、料分離沉淀現(xiàn)象；2 h后逐漸膠凝，1 d強(qiáng)度22 MPa，3 d強(qiáng)度40 MPa. 注漿后材料強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)，滿足工作面快速推進(jìn)需求。

兩種注漿材料售價(jià)0.4～0.5萬(wàn)元/t，遠(yuǎn)低于化學(xué)漿(>1.2萬(wàn)元/t).

4) 合理注漿時(shí)機(jī)。

裂隙是漿液擴(kuò)散通道，裂隙越發(fā)育，越容易擴(kuò)散，反之越難擴(kuò)散。

隨著工作面回采，在前方形成“移動(dòng)”超前支承壓力區(qū)，影響范圍0～50 m，峰值位置在工作面前方5～12 m.

在超前支承壓力影響范圍以外，裂隙十分不發(fā)育，貫通性差，注漿壓力大注漿量小，且注漿結(jié)束后，進(jìn)入超前支承壓力區(qū)再次破壞，不適合注漿；在工作面前方0～20 m，裂隙十分發(fā)育，貫通支架前方煤壁，可注性極強(qiáng)，但存在嚴(yán)重的工作面漏漿風(fēng)險(xiǎn)，難以封堵，造成注漿失敗，也不適合注漿。因此，工作面前方20～50 m為理論上的可注區(qū)域，且越靠近工作面，可注性越強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)一般選擇在工作面前方20～30 m，隨著工作面推進(jìn)，進(jìn)行“移動(dòng)注漿”。

3 深孔無(wú)機(jī)注漿技術(shù)限制因素

3.1 施工條件限制

工作面進(jìn)風(fēng)巷一般布置有設(shè)備列車、軌道，打鉆、注漿設(shè)備擺放和施工受到嚴(yán)重影響，有效施工時(shí)間短，效率低，提高了施工成本。高瓦斯礦井回風(fēng)巷供電受時(shí)間有限，甚至不具備軌道運(yùn)輸條件，給進(jìn)料、施工帶來(lái)困難。

3.2 深孔鉆孔參數(shù)合理性

采用剖面法確定鉆孔參數(shù)，剖面主要依據(jù)煤層底板等高線，結(jié)合地測(cè)結(jié)果超前預(yù)測(cè)繪制，在剖面圖上進(jìn)行機(jī)采高度范圍預(yù)測(cè)和鉆孔參數(shù)確定，需要結(jié)合地質(zhì)、回采兩個(gè)要素。地質(zhì)剖面準(zhǔn)確程度直接影響鉆孔參數(shù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)目前探測(cè)手段，可以基本確定煤層底板等高線，但精確度較差，且回采時(shí)機(jī)采高度范圍會(huì)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。因此，剖面圖準(zhǔn)確性較差，提前確定的鉆孔參數(shù)難以信賴，并且深孔施工存在鉆桿下沉、偏移問(wèn)題，鉆孔精度較差。

3.3 鉆孔無(wú)效長(zhǎng)度大

當(dāng)構(gòu)造位于工作面邊緣臨近順槽時(shí)，深孔鉆孔大部分在構(gòu)造區(qū)內(nèi)，無(wú)效長(zhǎng)度小。當(dāng)構(gòu)造位于工作面中部，且范圍較小時(shí)，深孔需要從順槽幫部開始，穿過(guò)大部分無(wú)效區(qū)域進(jìn)入構(gòu)造區(qū)，無(wú)效長(zhǎng)度大，造成浪費(fèi)。

3.4 鉆孔施工難度

深孔無(wú)機(jī)注漿最大難點(diǎn)在于鉆孔施工，注漿相對(duì)簡(jiǎn)單。正常地質(zhì)條件下鉆孔施工比較順利，當(dāng)遇到負(fù)角度、軟煤、破碎帶等條件時(shí)，孔內(nèi)排水、排渣困難，打鉆效率大幅降低，難以成孔，影響鉆孔精度。

3.5 無(wú)機(jī)注漿材料性能弊端

兩種無(wú)機(jī)注漿材料從反應(yīng)速度、強(qiáng)度上，完全可以滿足堵漏、擴(kuò)散需求，但是最大弊端在于黏接性差?；瘜W(xué)漿能夠起到良好的加固作用，關(guān)鍵在于其黏接性能，將破碎煤巖塊黏接在一起形成整體，無(wú)機(jī)注漿材料缺乏黏接性，固結(jié)體抗拉性能差，在極破碎區(qū)域難以起到良好的加固效果。

4 解決思路

深孔無(wú)機(jī)注漿加固范圍大，機(jī)理為裂隙填充，提高整體強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性改善，過(guò)分要求鉆孔精度意義不大。實(shí)踐證明，深孔無(wú)機(jī)注漿方式能夠降低70%左右的化學(xué)漿使用量，仍需使用一部分化學(xué)漿，不能完全替代。

受施工限制，深孔無(wú)機(jī)注漿方式難以普遍應(yīng)用，當(dāng)同時(shí)滿足3個(gè)條件時(shí)建議采用：1) 構(gòu)造范圍較大，且必須通過(guò)。2) 具備打鉆施工條件。3) 打鉆注漿總費(fèi)用低于化學(xué)漿費(fèi)用。

5 結(jié) 論

深孔無(wú)機(jī)注漿技術(shù)是一項(xiàng)工作面片幫、冒頂提前預(yù)防技術(shù)，包括“淺層+深層”鉆孔布置方案、深孔鉆孔參數(shù)、注漿加固材料、合理注漿時(shí)機(jī)等，能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域性改善，大幅減少化學(xué)漿用量，減輕企業(yè)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，是一項(xiàng)較為完整的加固技術(shù)。但存在鉆孔施工困難、鉆孔精度不足、鉆孔無(wú)效長(zhǎng)度大、施工質(zhì)量難以保障、漿液黏接性差等問(wèn)題。深孔注漿并不能完全替代化學(xué)漿，應(yīng)根據(jù)具體工程條件選擇加固方式。