构造区超前深孔预注浆关键问题探讨_崔志强.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 工作面揭露断层、 陷落柱等构造区时， 容易发生 片帮、 冒顶。 工作面片帮、 冒顶是制约综采设备效能发 挥的重要因素， 严重影响回采速度和安全生产。现在 多采用的处理办法是工作面发生片帮、冒顶之后， 采 用化学浆进行处理加固， 甚至需要工作面停采给出施 工时间， 本质上讲， 化学浆加固为一种滞后的应急处 理措施。 自 2015 年来， 晋煤集团开展构造区超前深孔 预注浆技术， 在长平矿、 寺河矿、 赵庄矿等进行了大量 的现场实践， 积累了较多的技术和施工经验[1～2]。由于 工程条件差异性，本文以该技术的关键问题为出发 点， 以期为构造区加固提供原则性的设计依据， 提高 其适用性。 1目前处理方式及存在问题 工作面出现严重的片帮、 冒顶之后， 化学浆处理 为一种常见措施， 化学浆凝固速度快， 粘接性强， 能够 起到良好的作用， 但存在 3 个主要问题 1 ） 工作面停采引起破坏范围增大。 工作面出现严 重问题之后， 工作面需要停采处理冒落矸炭， 在工作 面打钻采用化学浆加固。相当多的研究表明， 工作面 停采是加剧工作面片帮、 冒顶的重要原因， 在超前支 承压力作用影响下，工作面片帮范围和深度不断增 加， 裂隙迅速发展， 化学浆消耗量成倍增长； 2 ） 化学浆成本高昂。化学浆价格约 3 万元 /t， 晋 煤集团长平矿、 赵庄矿、 寺河矿， 工作面问题严重， 每 年累计消耗化学浆 2.5 亿元以上， 给企业带来的沉重 的经济负担； 3 ） 化学浆有毒、 反应温度高。 化学浆为有机材料， 有毒， 有腐蚀性， 反应温度 200℃～300℃， 对于高瓦 斯、 易自燃煤层， 存在很大的安全隐患， 全国发生过多 起煤矿使用化学浆引起的火灾事故， 在部分地区已经 被禁止使用。 2超前深孔预注浆方式 针对化学浆后处理带来的问题，晋煤集团自 2015 年开展构造区超前深孔预注浆加固技术研究， 其主要思路为 针对构造区， 超前工作面一定范围， 在 两条顺槽内， 向中部施工深孔钻孔， 如图 1 所示。 根据 构造类型不同， 选择钻孔布置方式和具体参数， 提前 预注， 目的是加强构造区煤帮、 顶板强度， 提高其承载 能力， 减轻工作面回采到构造区时的片帮、 冒顶程度， 加快工作面推进速度，减少超前支承压力作用时间， 构造区超前深孔预注浆关键问题探讨 崔 志 强 （晋城煤业集团赵庄煤业 ，山西 晋城 048000 ） 摘要 针对化学浆处理工作面片帮、 冒顶存在的停采、 成本高昂等问题， 介绍了构造区超前深孔预 注浆方式， 即超前工作面一定距离， 在两条顺槽内向中部施工深孔钻孔进行注浆加固， 并从构造区精 准探测、 不同构造类型加固范围和加固层位、 注浆材料、 注浆压力、 合理注浆时机、 施工质量、 化学浆使 用认识等 7 个关键问题出发， 探讨了目前深孔预注浆存在的认识不足和施工质量问题， 为注浆方案设 计和现场实施提供了原则性依据。 关键词 构造区 ； 预注浆 ； 精准探测 ； 注浆材料 ； 合理注浆时机 中图分类号 TD323文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0120- 03 Discussion on Key Problems of Advanced Deep Hole Pre-grouting in Structural Area CUI Zhiqiang （JinchengCoal IndustryGroup ZhaozhuangCoal Mine , Shanxi Jincheng 048000 ） AbstractAiming at the problems of stoppage and high cost of chemical pulp processing working face, the advanced deep hole pre- grouting in the structural area is introduced, that is, the pre- working face has a certain range. A certain distance from the front working face, grouting reinforcement for deep hole drilling to the middle in the two grooves,and accurate detection from the construction area, different structural types of reinforcement range and reinforcement layer, grouting material, grouting pressure, reasonable grouting timing, construction quality, chemical pulp use awareness, etc. Starting from the problem, the shortcomings of the deep hole pre- grouting and the construction quality problems are discussed, which provides a principle basis for groutingscheme design and on- site implementation. Key words structural area ; pre- grouting; precise detection ; groutingmaterial ; reasonable groutingtiming 120 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 极大地减少化学浆使用量。 图 1构造区超前深孔预注浆方式示意图 3超前深孔预注浆关键问题探讨 超前深孔预注浆由来已久， 但一直未起到理想的 加固效果， 主要是认识不足和施工质量问题， 在此展 开更为具体的探讨。 3.1构造区精准探测 首先应结合三维地震、 槽波探测、 钻探等手段， 较为精确的确定构造区的类型、 位置、 大小、 影响程 度， 为后续钻孔注浆方案提供精准的地质资料， 如图 2 所示。 （a ）槽波探测 （b）钻探 图 2构造区探测方式示意图 3.2不同类型构造区加固范围及层位 大量的研究表明， 采场顶板控制关键因素在于煤 壁。 煤壁为顶板的支撑点， 煤壁发生片帮破坏， 诱发顶 板冒落的概率大幅增加， 单一加固顶板， 并不能起到 理想的作用， 煤壁加固也应作为重点。进一步的研究 表明，距离顶板 0.135 倍采高处煤壁最易先发生破 坏， 即煤壁中上部应力集中区位置。 根据 “控帮立顶” 的技术思路， 超前区深孔钻孔基 础设计为上、下两排，上排钻孔加固煤壁上方 1～2m 厚度的顶板， 下排钻孔加固煤壁中上部。 加固层位 针对不同构造类型， 应先做出工作面 倾向剖面图， 在剖面图上确定机采范围和高度， 钻孔 层位根据机采范围进行确定， 对于陷落柱、 软煤区、 复 合顶板类型构造， 工作面基本平行通过， 机头至机尾 机采范围基本为一水平线均匀变化， 而断层构造则需 要支架变坡过断层， 机采范围变化大， 必须更加注意， 断层构造钻孔布置如图 3 所示。 图 3断层构造钻孔布置方式示意图 加固范围 对于断层， 加固范围为断层面附近及 支架在倾向上揭煤区域， 如图 3 所示； 对于陷落柱， 陷 落柱中部多存在硬核， 需要爆破通过， 薄弱区域为陷 落柱与煤岩体交界面，加固范围应为交界面位置， 不 需要穿透注浆， 如图 4 所示； 对于软煤区、 复合顶板， 则需要整体穿透加固， 如图 1 所示。 图 4陷落柱加固范围示意图 3.3注浆材料 以往多采用普通水泥， 浆液水灰比 11， 配合水玻 璃使用。存在 2 个问题 1 ） 材料强度低。 普通水泥和易性差， 必须使用较 多的水才能配置成流动性较好的浆液，水灰比为材 料强度的根本， 水灰比越大， 强度越低， 且强度增长 越缓慢； 2 ） 材料细度低。 普通水泥仅有 200 目左右， 粒径 较大， 配合较大水灰比使用， 浆液容易发生泌水、 沉 淀， 扩散性能差， 微小裂隙难以进入， 造成注浆效果 差。 针对普通水泥的缺点， 河南力行科创矿山技术开 发有限公司研发了一种超细水泥注浆材料，细度 1000 目以上， 是普通水泥的 5 倍， 并通过外加剂调整 施工性能， 优势如下 1 ） 浆液不发生泌水、 沉淀， 扩散性能好。 由于细度 高， 悬浮性好， 浆液均匀， 在流动和静置条件下均不会 发生沉淀， 且材料细度足够， 可以渗入微小裂隙， 起到 121 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 更好的扩散效果； 2 ） 施工性能好。通过外加剂的加入， 减小水灰比 至 0.61， 浆液具备 40min 左右良好的流动性， 满足浆 液制备、 管路输送、 孔内流动扩散所需时间， 1h 后变 稠至胶水状， 防止浆液流失， 10h 后强度快速增长； 3 ） 强度增长快。由于采用较小的水灰比， 且细度 高提高了材料的活性， 强度增长迅速， 1d 单轴抗压强 度 16MPa 以上， 3d 单轴抗压强度 25MPa 以上，满足 工作面快速推进的时效性要求。 3.4注浆压力 煤矿注浆随意性大，对于注浆压力选择不够重 视， 往往是根据已有注浆设备， 注浆泵达到额定注浆 压力， 或者出现严重漏浆即停止注浆， 注浆效果难以 保证。 长期的现场实践表明，构造区内存在大裂隙、 小 裂隙、 微裂隙， 尤其对于超前预注， 受采动影响小， 部 分裂隙贯通性差， 必须通过高压劈裂方式， 将原本不 贯通的裂隙进行连通，使绝大多数裂隙被浆液填充。 根据煤岩体抗拉强度，高压劈裂注浆压力选择 20～30MPa。 3.5合理注浆时机 研究合理注浆时机的目的是确定注浆时机与工 作面推进的关系。从时间角度考虑， 深孔预注浆越早 越好， 有充足的施工时间， 工作面推进到构造区时可 以直接通过。但从裂隙发育规律的角度， 提倡超前支 承压力区注浆方式，即在工作面前方 0～50m 范围进 行注浆，主要原因是工作面超前影响范围约为 0～60m， 受压力作用， 构造内裂隙逐渐张开， 贯通性提 高， 可注性增强， 且围岩并未发生结构性破坏， 仍具备 较高的承载能力， 此时进行注浆能够取得更好的扩散 效果。 结合时间和裂隙发育规律两个因素，一般采取 提前打钻、 封孔， 进入超前支承压力区之后再注浆的 方式。 3.6施工质量 上述分析较为全面的探讨了深孔预注浆的关键 因素， 为钻孔注浆方案设计提供了理论依据， 而现场 施工是整个注浆加固工作的重要一环。 构造区注浆为隐蔽性工程， 钻孔深度大， 钻杆存 在下沉及回转问题， 精确定向困难； 注浆是否能够保 证达到注浆压力， 依赖现场施工人员责任心； 实际钻 孔层位与设计方案中出现差异，是否能够及时调整， 都影响到整个注浆加固工程质量。因此， 必须有一支 经验丰富、 责任心强的专业施工队伍进行实施。 3.7化学浆使用 超前深孔预注浆主要目的是填充绝大部分裂隙， 必然存在未被加固的裂隙， 且超前支承压力区注浆完 成后， 工作面通过前， 仍要受数天的压力影响， 部分裂 隙重新张开， 需要进行化学浆补注， 且超细水泥注浆 材料为无机材料， 粘接性差， 出现片帮时仍需要依赖 化学浆的粘接能力。 因此深孔预注浆的意义在于减少 化学浆用量， 降低 70以上的注浆成本， 并不能完全 替代化学浆。 4结论 1 ） 工作面出现片帮、 冒顶后， 化学浆处理属于滞 后的应急处理措施，存在停采引起的破坏程度增大、 注浆成本高昂、 发火危险等问题； 2 ） 介绍了构造区超前深孔预注浆加固方式， 即超 前工作面一定范围， 在两条顺槽内， 向中部施工深孔 钻孔， 进行注浆加固； 3 ） 从构造区精准探测、 不同构造类型加固范围和 加固层位、 注浆材料、 注浆压力、 注浆时机、 施工质量、 化学浆使用认识等 7 个关键问题出发， 分析了目前深 孔预注浆存在的认识不足和施工质量问题。 参考文献 [1] 于宪阳,张农,张海韦,等.高分子化学注浆材料处理巷道 大范围冒顶研究 [J].煤矿安全， 2010， 6 10- 13. [2] 王全明.赵庄矿工作面复合顶板深孔预注浆加固技术[J]. 煤矿安全， 2018， 49 （11） 80- 83. 作者简介 崔志强 （1984-） ， 男， 山西晋城人， 2017 毕业于中国矿业 大学， 现在山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司生产技术部 任职， 主要从事采煤和掘进方面的工作。 （收稿日期 2019- 3- 11） 122 ChaoXing