趙莊二號井2309工作面構(gòu)造區(qū)注漿加固技術(shù)研究

王全明,邢 超

(山西晉煤集團(tuán)趙莊煤礦,山西 長治 046608)

趙莊二號井是晉煤集團(tuán)的生產(chǎn)礦井,井田范圍內(nèi)開采3#煤層。西翼盤區(qū)為礦井新開拓盤區(qū),地質(zhì)資料缺乏。由于井田西翼范圍內(nèi)煤層強(qiáng)度低,節(jié)理、裂隙發(fā)育松軟破碎,加上趙莊二號井井田范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜,受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動影響比較明顯,斷層、陷落柱、破碎帶等特殊地質(zhì)構(gòu)造比較發(fā)育,工作面回采過程中安全問題突出。

趙莊二號井2309工作面走向長1 500 m,傾斜長160 m,煤層為3#煤層,平均厚度為4.2 m。工作面布置如圖1所示。

圖1 2309工作面布置圖Fig.1 Layout of No.2309 working face

根據(jù)工作面物探和鉆探結(jié)果,JDF70正斷層、JDX16、X40、X41和X42四個陷落柱對工作面回采影響較大;JDF69和F119斷層對巷道影響較大,斷層及陷落柱的位置如圖2所示。將JDF69斷層單獨(dú)劃分為為1#加固區(qū);將JDF70斷層單獨(dú)劃分為為2#加固區(qū);將F119斷層單獨(dú)劃分為3#加固區(qū);將JDX16陷落柱單獨(dú)劃分為4#加固區(qū);將X40、X41、X42陷落柱劃分為5#加固區(qū)。由于斷層區(qū)、陷落柱和異常區(qū)附近一般煤巖體破碎,在工作面回采至該區(qū)域時容易出現(xiàn)片幫冒頂,因此需要對該區(qū)域進(jìn)行注漿加固。結(jié)合槽波探測結(jié)果,對2309回采工作面不同構(gòu)造的異常區(qū)域,分別設(shè)計(jì)注漿加固方案,確定合理的巷道及工作面構(gòu)造區(qū)注漿鉆孔參數(shù)、注漿加固工藝和技術(shù),并進(jìn)行加固效果監(jiān)測,控制片幫冒頂?shù)陌l(fā)生,保證回采工作面的安全開采[1]。

圖2 2309工作面構(gòu)造分布圖Fig.2 Tectonic distribution of No.2309 working face

1 注漿加固方案

根據(jù)各個加固區(qū)對工作面影響程度,結(jié)合礦方要求,僅對4#加固區(qū)和5#加固區(qū)進(jìn)行加固,預(yù)計(jì)加固范圍200 m。兩處加固區(qū)域均采用淺孔和深孔結(jié)合的注漿工藝[2]。

1.1 4#加固區(qū)注漿加固方案

4#加固區(qū)為JDX16陷落柱。由于鉆探顯示陷落柱內(nèi)較為破碎,為保證工作面回采安全,在工作面兩側(cè)23091和23092巷對穿鉆孔,對陷落柱內(nèi)外破碎區(qū)進(jìn)行整體注漿加固。分別在23091巷和23092巷布置鉆孔,鉆孔布置投影如圖3所示。

圖3 4#加固區(qū)鉆孔布置投影圖Fig.3 Projection of drilling hole layout in No.4 reinforcement area

注漿加固主要在23091巷和23092巷道內(nèi)實(shí)施。其中23091巷道的注漿加固范圍是與2103巷交叉口800～880 m,共80 m范圍。由于聯(lián)邦加固單液注漿材料流動性好、擴(kuò)散范圍大,為避免深孔注漿時大范圍漏漿造成注漿終止,因此在深孔注漿前,先進(jìn)行8 m淺孔封閉。結(jié)合以往注漿加固經(jīng)驗(yàn),淺部注漿鉆孔分兩排布置,呈矩形,上排距底板2 m,下排距頂板1 m,間距均為2 m,垂直巷(煤)幫開孔,共布置82個鉆孔,孔徑均為42 mm。鉆孔布置平面圖如圖4所示。

圖4 4#加固區(qū)23091巷淺孔鉆孔布置圖Fig.4 Layout of shallow drilling holes in No.4 reinforcement area of 23091 roadway

深孔鉆孔布置為上下兩排,上排孔開孔高度距離底板1.5 m,鉆孔間距10 m,孔徑75 mm;下排孔開孔高度距離底板0.8 m,鉆孔間距10 m,孔徑75 mm,仰角為0～1.5°。距離與2103巷交叉口800 m位置為1#鉆孔,共布置17個鉆孔,鉆孔布置如圖5所示。

圖5 4#加固區(qū)23091巷深孔鉆孔布置圖Fig.5 Layout of deep drilling holes in No.4 reinforcement area of 23091 roadway

23092巷施工范圍:與2103巷交叉口800～880 m,共80 m范圍。8 m淺孔布置方式與23091巷一致。深孔布置方式:鉆孔布置方式、間排距級孔徑與23091巷一致,上排孔距底板2 m開孔,下排孔距底板1 m開孔距離,仰角為1.5～2°。與2103巷交叉口800 m位置為1#鉆孔,共布置17個鉆孔,鉆孔布置平面圖如圖6所示。

圖6 4#加固區(qū)23092巷鉆孔深孔布置圖Fig.6 Layout of deep drilling holes in No.4 reinforcement area of 23092 roadway

1.2 5#加固區(qū)注漿加固方案

5#加固區(qū)影響范圍極大,計(jì)劃甩過重掘切眼,在23092巷撤架。第一階段工作面停采線附近20 m區(qū)域煤體預(yù)計(jì)較為破碎,為保證順利停采撤架,需要對停采線附近20 m區(qū)域煤體進(jìn)行兩巷深孔注漿加固。鉆孔布置投影如圖7所示。

圖7 5#加固區(qū)鉆孔布置投影圖Fig.7 Projection of drilling hole layout in No.5 reinforcement area

5#注漿加固區(qū)的淺孔注漿和深孔注漿的鉆孔的孔深和開孔高度等參數(shù)與4#加固區(qū)一致,僅僅在鉆孔數(shù)量和施工范圍方面不同。23091巷施工范圍自與2103巷交叉口580～600 m,共20 m范圍,共布置22個淺孔注漿鉆孔,孔徑均為42 mm。深孔注漿鉆孔布置在距離與2103巷交叉口580 m位置為1#鉆孔,共布置5個鉆孔。23092巷施工范圍和鉆孔數(shù)量及參數(shù)與23091巷道一致。

2 鉆孔施工及注漿工藝

2.1 鉆孔工藝

如鉆孔成孔良好,一次成孔率高,則采用一次成孔方式。如出現(xiàn)異常區(qū)塌孔、卡鉆現(xiàn)象嚴(yán)重時,可以采用分段成孔方式進(jìn)行。分段成孔方式的操作是：如遇破碎、卡鉆嚴(yán)重時,可以先退鉆,不必插管,利用法蘭盤對破碎區(qū)進(jìn)行雙液快速注漿加固,然后進(jìn)行套孔。采用分段成孔,施工分三個階段進(jìn)行。

1)安裝固定套管。按照鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù),架設(shè)鉆機(jī),先采用Φ133 mm鉆頭施工,施工至6 m時退鉆,安裝孔口套管并采用注漿固定。

2)淺層破碎帶鉆進(jìn)及注漿。孔口套管安裝固定結(jié)束后,按照設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)架設(shè)鉆機(jī),采用Φ75 mm鉆頭進(jìn)行打鉆施工,施工至30 m時退鉆,并采用聯(lián)邦加固1號(雙液)材料進(jìn)行淺層注漿護(hù)孔。

3)鉆進(jìn)成孔、插管及封孔。打鉆成孔后,退出鉆桿,進(jìn)行插管封孔工作?？變?nèi)插入直徑為32 mm的PE管作為漿液導(dǎo)流管，與此同時PE管還能起到孔壁支撐作用?？卓谔坠芗鞍惭b套管長度為4 m,直徑108 mm,由兩節(jié)組成,每節(jié)2 m,中間用接箍連接,以確保前階段注漿有效。套管末端焊接高壓法蘭盤,至少承受15 MPa的注漿壓力。

2.2 鉆孔及注漿設(shè)備

采用ZDY800煤礦用全液壓坑道鉆機(jī),配套50 mm鉆桿80根,75 mm鉆頭若干。注漿設(shè)備:淺孔注漿采用2ZBQ40/11型氣動注漿泵,深孔注漿采用ZBYSB100/20-18.5 kW液壓雙液注漿泵1臺,QB260氣動攪拌桶2臺。

2.3 注漿材料

封孔采用聯(lián)邦雙液注漿材料,注漿以聯(lián)邦單液注漿材料為主,漏漿嚴(yán)重時可以與聯(lián)邦雙液材料交替進(jìn)行。聯(lián)邦雙液注漿材料主要是無機(jī)雙液組分,可注性強(qiáng)。兩種組分在混合前6 h內(nèi)不泌水,混合后10 min內(nèi)初凝,1 h強(qiáng)度可達(dá)8 MPa,1 d后強(qiáng)度可達(dá)15 MPa;聯(lián)邦單液注漿材料同樣為無機(jī)組分,材料的流動性強(qiáng),結(jié)石體率高, 24 h強(qiáng)度可達(dá)25 MPa以上,3 d強(qiáng)度可達(dá)35 MPa以上。

單液正常注漿水灰質(zhì)量比0.6∶1,雙液正常水灰質(zhì)量比為0.8∶1。注漿壓力對注漿效果影響較大,淺孔注漿壓力4～8 MPa,深孔注漿最大注漿壓力控制在12～15 MPa[3-4]。

2.4 施工工藝流程

注漿施工整體需要自里往外施工。自切眼向外施工,施工進(jìn)度必須滿足工作面回采速度需要。深孔先打孔、封孔,暫不注漿,當(dāng)進(jìn)入工作面前方50 m以內(nèi)時,再進(jìn)行注漿[5]。同時按照以下流程進(jìn)行:

1)安全檢查。施工前由當(dāng)班安全負(fù)責(zé)人和工程負(fù)責(zé)人對現(xiàn)場進(jìn)行安全檢查排除安全隱患后方可開工。

2)定眼位。根據(jù)設(shè)計(jì),確定注漿鉆孔位置。

3)打眼。打眼嚴(yán)格執(zhí)行定人、定鉆、定眼、定量的“四定”制度,操作人員應(yīng)該注意力集中。

4)安裝注漿鋼管。按照設(shè)計(jì)要求,插入注漿鋼管,封孔段不能少于1 m。

5)封孔。按照設(shè)計(jì)要求,采用注漿泵向封孔段灌注注漿材料。

6)注漿。按照設(shè)計(jì)要求,連接注漿泵進(jìn)行注漿,注漿過程應(yīng)根據(jù)注漿情況,調(diào)整注漿壓力、流量等參數(shù)。

2.5 注漿效果分析

注漿后,對4#異常區(qū)注漿加固效果進(jìn)行了考察。工作面順利回采,沒有大面積的片幫冒頂現(xiàn)象,工作面推進(jìn)速度3.01～3.08 m/d,支架末阻力一般在2 300～2 580 kN之間;通過異常注漿加固區(qū)邊緣時,工作面沒有片幫,頂板大部分良好,僅有個別架出現(xiàn)漏矸掉渣現(xiàn)象,工作面推進(jìn)速度2.5 m/d,為正常條件下的83%,推進(jìn)速度較快,比正常區(qū)域略有增大。加固區(qū)域巷道變形量小,兩幫移近量最大為65 mm,頂板下沉量最大為95 mm。整體說明構(gòu)造區(qū)域展開的注漿加固效果良好。

3 結(jié)論

注漿加固已成為復(fù)雜地質(zhì)條件下圍巖控制的一種重要手段。本文結(jié)合趙莊二號井2309工作面實(shí)際地質(zhì)條件,采取科學(xué)合理的注漿加固技術(shù)以及工藝參數(shù),有效提高礦井破碎圍巖的整體性。本文進(jìn)行了超前深孔注漿加固試驗(yàn),并總結(jié)了破碎煤巖鉆孔施工和注漿加固技術(shù)工藝參數(shù),為同類礦井進(jìn)行深孔注漿加固試驗(yàn)提供了參考。