综放过断层无机注浆材料加固技术

曾祥斌

（晋城煤业集团，山西 晋城 048000）

目前注浆预防片帮主要使用高分子注浆材料，并且多采用在工作面煤壁的浅孔注浆技术，虽然效果较为明显，但仍然存在诸多问题[1-2]。首先，高分子加固材料在反应时释放大量热能，使煤体有自燃的隐患；其次，掺入的阻燃剂中氯、溴等元素，在高温条件下会产生有毒有害的烟雾；然后，高分子注浆材料价格昂贵，工程造价高；最后，聚氨酯类高分子注浆材料固化时间短的特性只能适用于浅孔注浆[3-5]。与高分子注浆材料相比，新型无机注浆材料拥有更加优越的性能，其固化速度、固结强度、强度增长规律等特性均可与高分子材料媲美，却没有上述高分子材料的缺陷。新型无机注浆材料在赵庄二号井2301工作面综放工作面煤壁注浆中得到了应用，取得了预期效果。

1 工程概况

赵庄二号井西翼盘区的2301工作面主采3#煤层，工作面地质条件中等，断层较为发育。根据工作面顺槽巷道揭露情况及三维解释结果，工作面会先后揭露正断层F114、DF22、JDF88、JDF87、F112、F111、F110。巷道局部煤层节理发育，尤其是构造区域附近，煤层松软破碎，易片帮冒顶。中部正断层DF22走向NE，倾向SE，倾角50°，断距0～10m，顺槽掘进期间揭露位置103～280m；正断层JDF88走向NE，倾向SE，倾角50～55°，揭露位置240～333m，对工作面回采影响较大，是此次注浆加固的重点。工作面布置及断层分布图见图1。

图1 工作面布置及断层分布

2 新型无机注浆材料

材料的颗粒细度、浆液黏度、浆液稳定性、固结体耐久性等特性都是影响注浆加固效果的主要因素。注浆材料配比的合理性是确保注浆效果的重要因素。新型双液无机注浆材料由无机矿粉组成，不自燃，无毒害，是一种速凝、早强型的注浆材料，可注性较强，完全满足巷道破碎围岩、采掘工作面注浆加固需要。

新型双液无机注浆材料分为单液和双液两种。

单液材料为超细水泥改性材料，是主要的注浆材料，具备良好的渗透性且易于施工，该材料使用水灰比0.6～0.8:1，24h强度能够达到10MPa以上，3d强度可达25MPa。

双液材料作为封孔材料，两种浆液在混合前6h内不凝固，不泌水，不沉淀；两种浆液混合后，0～5min失去流动性，5～15min完全固化。注浆后，经检验1h煤体固结抗压强度5.2～5.8MPa，抗剪强度1.3～1.7MPa； 8h煤体固结抗压强度11.8～12.9MPa，抗剪强度2.5～2.8MPa，粘结强度2MPa以上。浆液在0.5～2:1水灰比下浆体结石率可达100%。浆液扩散范围广，扩散半径可达3～6m，注浆加固效果好。试样2h的强度能达到8～15MPa以上。

3 注浆加固方案

本次注浆加固在23012巷向工作面煤体布置深孔，孔深应超过断层10m；根据“控帮立顶”的指导思想，控制的重点在于工作面机采高度和机采高度上方顶板。同时采用新型无机注浆材料，配合高注浆压力，使浆液能够扩散、渗透到细微裂隙中，保证注浆加固效果。通常断层处煤壁裂隙比正常区域的煤壁裂隙发育，极易发生漏浆，导致无法达到预期的注浆效果。因此注浆采用浅孔封堵，深孔注浆的方案，即先用双液料浅孔注浆，防止在注浆过程发生漏浆，再用失流时间长的单液料进行深孔注浆。

3.1 钻孔布置

进行注浆之前，需要施工相应的钻孔，施工地点在23012巷断层影响较大的区域。

从切眼向外依次布置，平均5m一个，预计37个钻孔，依次编号为1#、2#、……、37#。钻孔布置上、下两排，呈三花布置。下排孔开孔高度距离底板1.1m，钻孔间距10m，孔深20～40m，仰角6～10°，下排孔主要控制机采高度范围。上排孔距离底板2.0m，孔深50～70m，仰角7～12°，钻孔间距10m，上排孔终点位置在机采高度上方1m左右的顶板内，孔径均为75mm。见图2、图3。

图2 钻孔布置平视图

图3 钻孔布置剖视图

3.2 注浆封孔

注浆封孔的长度和质量对注浆效果有影响，此次注浆封孔采用“两堵一注”的封孔方法，即堵住两头，中间灌注浆液的方法。 封孔使用水灰比0.6:1～0.8:1的双液注浆材料。

注浆管路采用“6分无缝钢管+PVC管”组合方式，钢管和PVC管均加工成2m/根，插管长度尽可能长。对于孔深≤20m，插2根钢管，其余采用PVC管，封孔长度2～4m；对于孔深≥20m，插5根钢管，其余采用PVC管，封孔长度10m；孔深≥50m，插5根钢管，其余采用PVC管，封孔长度10m，要求内部5根PVC管开射浆孔，每根5个射浆孔，孔径10mm。

3.3 工艺参数

（1）注浆压力。注浆时需要考虑浆液在管路中流动受到的沿程阻力以及在煤体的裂隙中流动时的摩擦阻力等因素。注浆压力过小，不能保证浆液到达预定位置；注浆压力过大，浆液会在煤壁中形成新的破裂面，且将会贯穿阻力小的裂隙，形成大的裂隙造成大量跑浆。综合考虑工作面断层带处煤体的承受能力和裂隙发育程度，设定注浆压力8～20MPa。

（2）注浆量。注浆量应保证被注区域在注浆后有明显的加固效果，设计时要考虑钻孔长度、注浆压力、煤体裂隙发育程度、煤体破碎状况及渗透性等因素。如果过量注浆，浆液被压入煤体完整的区域，会造成新的裂隙，反而降低煤体整体强度。预计每个孔注浆量为2t。

（3）防漏浆技术。注浆遇到漏浆情况时，暂停注浆泵，或调整节流阀，降低注浆速度，用棉纱堵漏，或者换注双液浆一段时间，堵漏后换回单液浆。

3.4 注浆时机

原岩应力区内煤体完好，可注性较差，如果在原岩应力区进行注浆，会导致煤体内裂隙发育增多，可能降低煤体强度，此外之后回采过程中，原岩应力区会承受采动支撑压力，此时加固后再次破坏后，这段区域就会失去注浆效果。而在应力增高区进行注浆，大大增加了注浆的难度。因此，应当选择在应力增高区末端和应力降低区全段注浆。基于以上分析，在工作面遭遇断层前50m进行注浆加固。见图4。

图4 采场支撑压力分布情况

3.5 注浆系统

注浆系统由ZBYSB100/20-18.5液压注浆泵、两个气动搅拌桶QB260、两个盛浆桶、配套管路以及混合器组成。见图5。

系统设计中，单双液均采用相同的注浆系统，即均设置两个气动搅拌桶，其优点：双液注浆确保了两种浆液各自均能充分搅拌，混合后使AB料充分反应；单液配备双搅拌桶可以实现连续不间断注浆。

图5 注浆系统

4 效果分析

注浆钻孔37个，65.6t，平均注浆压力10～11MPa。水灰比0.6～0.7:1，换算使用浆料108t，浆液密度1.8t/m3，有效充填裂隙约60.1m3。

注浆后进行矿压监测，通过对断层实际揭露情况、注浆后工作面片帮等情况来分析此次注浆效果。推进度140～300m是断层影响较大区域，通过此区域后，由于断距减小，断层对工作面回采影响逐渐减小。在此区域内，仅发生2次顶板破碎、冒落现象，连续架次不超过5架，冒落高度不大于1.5m，均发生在支架上坡揭露下盘煤位置，由于煤体强度较低导致煤壁片帮较为频繁，多发生在机头全煤区域，但片帮深度一般在0.5m左右，片帮位置顶板完整，对回采影响较小，基本上实现了工作面顺利过断层。

结果表明，新型无机注浆材料性能满足要求，注浆工艺参数合理，取得了良好的注浆效果。

5 结论

（1）新型高分子无机注浆材料在性能上完全可以媲美传统高分子材料并且成本低。在赵庄2号井2301工作面过断层煤壁深孔注浆加固中得到了良好的应用，具有很高的经济实用价值。

（2）通过注浆数据分析，过断层深孔注浆方案有效预防了工作面过断层煤壁片帮冒顶等安全隐患，为其他相近工程提供了经验。

（3）井下注浆系统的不断优化，提高了工程效率，保证了工程质量，有良好的应用前景。