综采放顶煤工作面过断层超前注浆加固技术_何立成.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 当工作面遭遇构造， 特别是进、 出断层或陷落柱 时， 煤帮及顶板不稳定， 容易发生片帮、 冒顶事故， 影 响安全生产。 目前利用水泥类材料对构造区进行超前 加固， 由于材料细度、 注浆压力、 漏浆严重等问题， 并 未取得预期效果， 因此， 多在工作面发生片帮、 冒顶前 后大量使用化学浆加固，甚至需要停采给出施工时 间， 化学浆成本高昂， 有毒、 有腐蚀性， 属于应急处理 措施[1～2]。针对断层等构造进行超前注浆加固， 具有施 工时间充足、 提高煤岩体强度、 减少化学浆使用等技 术优势， 但需要解决的是钻孔精确性、 浆液扩散效果、 漏浆处理等关键问题。本文以赵庄二号井 2301 工作 面过断层研究对象， 针对上述问题展开研究。 1工程背景 2301 工作面位于赵庄二号井西翼盘区，开采 3 煤层， 工作面走向长 594.4m， 倾向长 154.7m， 煤层平 均厚度 4.56m， 平均倾角 3。采用放顶煤开采方法， 采高 2.8m， 放煤高度 1.4m～1.7m。工作面布置两条顺 槽， 23011 运输顺槽和 23012 回风顺槽。 工作面发育 1 条正断层 DF22， 对回采影响较大， 断层面与 23012 巷交汇处为回采进度 180m 位置， 断 层影响结束为回采进度 360m位置。在槽波探测基础 上， 对断层区域施工了大量的钻探孔， 如图 1 所示。 图 1工作面布置及断层分布图 2断层分布预测及注浆钻孔布置 断层注浆加固关键问题是钻孔布置， 必须保证钻 孔终孔位置进入需要加固的层位，才能起到加固效 果。 因此， 首先要掌握断层下盘煤的准确分布， 然后确 定综放工作面机采高度范围，从而确定注浆钻孔参 综采放顶煤工作面过断层超前注浆加固技术 何 立 成 （霍州煤电集团汾河焦煤公司三交河煤矿 ，山西 霍州 031400 ） 摘要 针对赵庄二号井 2301 工作面过断层， 通过关键钻探孔揭露情况进行断层分布预测和支架上 抬设计， 确定机采高度范围， 较精确地制定了钻孔布置方案， 采用高强、 高渗透性注浆材料， 分析了合 理注浆时机， 配合高注浆压力， 在顺槽内进行了超前注浆加固试验。结果表明 平均单孔注浆量 3.5t， 注浆后工作面未发生冒顶， 与未注浆区域相比， 工作面推进速度由 0.88m/d 提高到 2.5m/d， 实现了工 作面顺利过断层。 关键词 断层 ； 注浆材料 ； 超前注浆 ； 合理注浆时机 ； 注浆压力 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0030- 03 Advance Grouting Reinforcement Technology for Fully Mechanized Caving Face through Fault HE Licheng （Huozhou Coal and ElectricityGroup Fenhe CokingCoal CompanySanjiaohe Coal Mine , Huozhou 031400 ，China ） Abstract In viewofthroughingfault ofthe 2301 workingface ofZhaozhuangNo. 2 well, the fault distribution prediction and the bracket uplift design were carried out through the key drilling hole exposure conditions, the machine height range was determined, and the drilling arrange- ment scheme was accurately ulated, and the high strength and high permeability grouting material were adopted, the reasonable grouting timing was analyzed, and the advanced grouting reinforcement test was carried out in the groove with the high grouting pressure. The results showthat the average single- hole grouting volume is 3.5 tons, and there is no roof collapse after grouting. Compared with the un- slurry area, the workingsurface advancement speed is increased from0.88m/d to2.5m/d, achievinga smooth through the fault. Key words fault ; groutingmaterial ; advance grouting; reasonable groutingtime ; groutingpressure 30 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 数。 钻探孔揭露能够较准确地说明断层下盘煤分布情 况， 因此， 选取具有代表性的钻探孔进行分析。 选取 1- 2 探孔、 补 6 探孔、 补 5 探孔、 3- 1 探 孔， 共 4 个探孔， 分别在回采进度 205m、 235m、 255m、 290m， 根据钻探揭露情况， 绘制工作面揭露断层面时 工作面的剖面图，并在剖面图上确定机采高度范围， 再根据钻孔设计依据在剖面图上绘制钻孔布置图。 先 对 4 个钻探孔位置进行注浆钻孔设计， 依次对所有钻 孔进行设计。 机采高度范围确定原则 ①支架在上抬段角度尽 量大， 但不能超过 10； ②机尾距离断层面距离假设 为 L，当 L＜6m 时，直接上抬进入下盘煤，当 6m＜ L＜25m时， 支架先不上抬， 距离断层面 6m 开始上抬， 当 L＞25m时， 支架先卧 底放顶煤， 距离断层面 10m 开始上抬， 进入下盘 煤支架调正。 钻孔设计原则 在 23012 巷帮开孔， 基础设计为 上、 下两排， 下排孔开孔高度距离底板 1.1m， 下排孔 终孔位置在机采高度范围， 下排孔设计深度应进入下 盘煤 10m， 上排孔开孔高度距离底板 2.0m， 上排孔设 计深度应进入顶板 5m,上、 下排钻孔钻孔间距 10m， 上排孔终孔位置在机采高度上方 1m 左右的顶板内， 孔径均为 75mm。 以 1- 2 探孔为例， 绘图如图 2 所示。 图 21- 2 探孔位置钻孔布置示意图 钻孔布置 实施范围为回采进度 180m～360m， 合计 180m长度。由于断层变化连续， 以4个钻探孔为关键孔， 依次进行所有钻孔设计。上排钻孔与下排钻孔间距均为 10m， 共设计37个钻孔， 孔深45m～75m。钻孔设计平面图 如图3所示， 部分钻孔设计参数见表1所示。 图 3注浆钻孔布置平面图 表 1注浆钻孔设计参数 3注浆设计关键因素 3.1注浆、 堵漏材料 超前深孔注浆工程特性 1 ） 钻孔深度大。浆液应具备良好的流动性， 以满 足充分扩散， 同时具备良好的悬浮性， 避免浆液扩散 过程中水、 料分离； 2 ） 裂隙发育程度低。 超前工作面注浆， 裂隙开度 相对较小， 贯通性较差， 注浆材料应超细化， 以使材 料颗粒进入微小裂隙，同时应配合高注浆压力劈裂 注浆； 3 ） 时效性要求高。综采工作面回采速度快， 超前 注浆后数天后工作面进入注浆区域， 要求注浆材料具 备较高强度， 因此注浆材料需要满足强度快速增长。 针对超前深孔注浆工程特性， 河南理工大学研发 的超细水泥单液注浆材料， 细度 1250 目， 使用水灰比 0.61， 材料加水搅拌后， 40min～60min 内流动性较好， 不泌水，之后逐渐稠化， 2h～3h 完全失去流动性， 约 10h 完全固化，之后强度快速增长， 1d 抗压强度 16MPa， 3d 抗压强度 26MPa， 7d 抗压强度 32MPa。 超细水泥单液注浆材料能够满足深孔注浆需求， 需要解决的关键问题是围岩表层漏浆问题， 由于流动 性良好， 出现漏浆很难堵漏， 造成注浆终止， 注浆量较 少， 注浆效果不佳。 河南理工大学研发的堵漏材料为双液注浆材料， 由 A、 B 两种粉料组成，使用水灰比 11，混合后 2min～5min 左右失去流动性， 20min 终凝， 2h 强度 8MPa 以上， 是一种良好的堵漏材料， 在出现严重漏浆 时换注， 堵漏后继续使用超细水泥单液材料， 交替注 浆， 实现注浆量最大化。 3.2合理注浆时机 合理注浆时机取决于裂隙发育程度。 钻孔编号距离切眼/m开孔高度/m孔深/m孔径/mm仰角/ 11801.1457514 21852.0487520 31901.1507513 41952.0557519 52001.1607512 363552.075755 373601.175755 总进尺2005 31 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 工作面前方 0～20m 裂隙发育程度最高，注浆量 大， 注浆压力小， 适宜进行注浆， 但是距离工作面煤壁 过近， 容易出现工作面煤壁漏浆， 影响回采， 同时施工 紧张，没有给注浆材料强度增长时间；工作面前方 55m以外为原岩应力区， 裂隙不发育， 可注性差， 注浆 压力大、 注浆量小， 注浆完毕进入超前支承压力区后 再次产生大量新的裂隙，注浆作用小；工作面前方 20m～55m， 在超前支承压力作用下， 裂隙有一定程度 的张开、 贯通， 此时进行注浆， 注浆压力适中， 适当提 高注浆量， 工作面约 3～5d 回采至注浆区域， 注浆材料 有充分的强度增长时间。 根据现场试验情况，认为保持在工作面前方 25～45m为合理注浆时机， 注浆跟随工作面回采进行。 3.3最终注浆压力 最大注浆压力以能劈裂微小裂隙为宜， 根据岩石 岩性物理力学参数分析和现场试验，最大注浆压力 25MPa ～30MPa， 最 终 注 浆 压 力 应 达 到 25MPa ～30MPa。 4工程量及效果考察 4.1工程量 共施工 37 个钻孔， 实际钻孔进尺 2100m， 注浆材 料消耗量 129.5t， 平均单孔注浆量 3.5t， 最大单孔注浆 量 10t。 4.2效果考察 工作面正常回采速度 3m/d。 （a ）未注浆区域（b）注浆区域 图 4工作面各区域片帮、 冒顶情况 工作面进入断层影响区之后，进入注浆区域前 50m， 工作面共发生 3 次片帮、 冒顶现象， 片帮深度 1.5m～2.5m， 冒顶高度 1m～3m， 连续架次超过 8 架， 对 回采造成严重影响， 消耗大量时间处理冒顶， 工作面 平均回采速度 0.88m/d， 如图 4 （a ） 所示； 进入注浆区 域后， 工作面未发生冒顶， 最大片帮深度 0.5m， 连续 架次不超过 3 架， 回采顺利， 平均推进速度 2.5m/d， 如 图 4 （b ） 所示。 5结论 1 ） 进行了断层分布预测及注浆钻孔布置。 选取关 键钻探孔， 预测下盘煤位置， 确定支架上抬设计和机 采高度范围， 设计两排注浆钻孔， 下排孔终孔位置在 机采高度范围， 上排孔设计深度进入顶板 5m， 并依次 对 37 个钻孔进行了参数设计； 2 ） 注浆材料选择。 深孔注浆材料选用超细水泥单 液注浆材料， 具备超细、 流动性好、 强度增长快的特 性； 堵漏材料选用双液注浆材料， 具备快速失去流动 性， 快速堵漏的特性， 两种材料交替使用， 实现注浆量 最大化； 3 ） 合理注浆时机为工作面前方 25～45m。工作面 前方 0～20m施工时间紧张， 漏浆问题突出； 工作面前 方 55m以外裂隙不发育， 注浆困难且作用较小， 工作 面前方 20～55m为合理的注浆区域， 通过现场试验进 一步确定为工作面前方 25～45m； 4 ） 注浆效果考察。工作面进入注浆区域前， 发生 3 次对回采影响较大的片帮、 冒顶， 冒顶高度 1～3m， 平均推进速度 0.88m/d，进入注浆区域后，未发生冒 顶， 工作面推进速度 2.5m/d。 参考文献 [1] 袁永， 屠世浩， 王瑛， 等.大采高综采技术的关键问题与对 策探讨[J].煤炭科学技术， 2010， 38 （1） 4- 8. [2] 吴怀国， 魏宏亮， 田凤兰， 等.矿用高分子注浆加固材料性 能特点及研究方向 [J]. 煤炭科学技术， 2012， 40 （5） 27- 29. 作者简介 何立成 （1990-） ， 男， 山西霍州人， 2015 年毕业于安徽理 工大学， 工学学士， 目前在霍州煤电汾河焦煤公司三交河煤 矿皮带队工作， 从事运输和安全管理方面的工作。 （收稿日期 2019- 1- 23 ） 32 ChaoXing