地面L型定向分支孔注浆加固煤层顶板厚风氧化带技术研究

2019-12-13黎明镜张敦喜李万峰李世辉

煤炭工程 2019年11期

黎明镜，张敦喜，李万峰，李世辉

(1.安徽理工大学，安徽淮南 232001；2.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽淮南 232001)

随着我国华东、华北等许多矿区开展提高煤层开采上限试验，薄基岩、厚风氧化带条件下采区日益增多，如淮南潘谢矿区近5年来陆续开采了60多个薄基岩工作面，其中潘一矿1402(3)、1602(3)工作面及顾北矿1202(3)等多个综采工作面在回采过程中出现不同程度出水“压架”现象，造成重大经济损失[1]。以顾北矿1202(3)综采工作面为例，典型压架过程表现为：综采初期小规模顶板来压→薄基岩老顶破断→顶板淋水严重→顶板垮落波及上部整个厚风氧带，裂缝带高度达56m→压架→工作面回采失败。综合原因分析，风氧化带上下部砂岩裂隙强富水性、弱胶结地层结构特征是工作面压架的主要地质影响因素[2-4]，因此研究薄基岩、厚风氧化带条件下顶板结构改造和有效隔水，对该类条件煤层开采具有十分重要的工程意义。

1 工程概况

安徽淮南矿区顾北煤矿1512(3)工作面是典型的厚风氧化带、薄基岩条件，南二采区1512(3)工作面平面布置如图1所示，该工作面开采的13-1煤层为非突出煤层，煤层厚度4.3～6.2m，平均厚度为5.4m，煤层发育稳定，密度为1.41×103kg/m3。煤层直接顶为泥岩、砂质泥岩(局部地段有炭质页岩伪顶)，厚度为0.69～6.2m，平均厚度3.2m。由西向东直接顶逐渐增厚；老顶为中细砂岩，厚度2.9～15.05m，平均厚度为6.5m。巷道及工作面切眼共揭露断层5处，其中对回采有影响的断层3条，断层最大落差7.2m，破坏了煤层及其顶板的完整性。工作面切眼勘探孔地层结构如图2所示，由图2可以看出，冲积层与风化基岩交界面埋深为433～421.15m，风氧化带厚度约为25.8～28.85m(其中强风化带度厚度17.26m、弱风化带度厚度11.59m)；工作面切眼上口顶板距风氧化带约24m；切眼下口顶板距风氧化带约15m。

图1 南二采区1512(3)工作面平面布置

图2 工作面切眼勘探孔地层柱状图

工作面顶板砂岩抽水试验表明13-1煤层顶板砂岩富水性强，且分布不均，开采最大涌水量预计达65m3/h。煤系砂岩裂隙含水层与上覆新生界中下部含水层在静态条件下是相对独立的储水单元，但在采动影响下，下部隔水层可能会形成新的导水通道，从而影响开采安全。水体采动等级为Ⅱ类，即不允许垮落带波及上部含水层。

2 薄基岩厚风氧化带下工作面顶板注浆加固设计

2.1 风氧化地层加固可注性分析

针对1512(3)切眼顶板进行钻孔取岩芯，风氧化带呈强风化、疏松易碎且破碎后呈颗粒状态，其中强风化带呈黄色碎屑颗粒，弱风化带主要呈暗黄色碎粒状，偶见泥铁质胶结；局部能够取出长度为30mm左右的风化砂岩岩芯，反映出顶板风氧化岩层节理发育，风氧化带取芯岩块形貌如图3所示。在风氧化带与砂岩交界层位取出部分风化砂岩，试验得出最大抗压强度为5.86MPa。顶板砂岩段取芯时，在DF42断层处砂岩裂隙水涌水量达19m3/h。综合分析可知，风氧化带地层可注性较好。

图3 风氧化带取芯岩块形貌

2.2 注浆加固顶板机理

薄基岩厚风氧化带下，低位承载层断裂后牵动其上数个岩层的同步破断，对采场顶板造成强烈扰动，使岩层内部原生裂隙扩展，传递承载能力弱化，倾斜块体范围向着煤体的深部和上部扩展，其中风氧化带的整体稳定性是影响周期来压大小的关键之一[5-8]。以往被动采用高工作阻力的强力液压支架，难以有效控制厚度超过50m的顶板整体破断导致的矿压显现剧烈，易造成压架事故。从主动改善工作面上覆围岩结构方面考虑，则增强围岩自稳能力，注浆封闭砂岩裂隙水，提高风氧化带地层整体稳定性，是一重要的技术途径；要达到上述注浆效果，则注浆要求范围大、压力高。因此，注浆方式宜采用地面预注浆进行。

3 风氧化带地面预注浆加固顶板技术

3.1 风氧化带地面预注浆设计

根据工作面地层结构特征，沿着回采走向风氧化带厚度减小、顶板砂岩厚度增大，设计对埋深434.43～447.55m的风化泥岩地层进行预注浆。注浆范围以切眼为起始点走向长60m，倾向宽200m。注浆涉及范围如图4所示，以1512(3)工作面回风巷上方(深度为440m，与风化基岩顶界面距离为18m)为注浆起点，以1512(3)工作面运输巷上方(深度为445m，与风化基岩顶界面距离为15m)为注浆终点。

图4 注浆设计范围示意图

3.2 风氧化带地面预注浆关键技术

根据注浆设计要求，结合我国定向钻孔注浆技术应用经验[9-11]，采用四个L型钻孔和两个水平分支孔进行注浆，当钻孔到达预定孔深之后，沿水平方向进行钻孔，其竖向剖面呈L型，水平向钻孔呈羽翼状分布，L型定向分支孔钻孔轨迹如图5所示，其中1#、2#孔的钻孔轨迹为：直孔段(230m)+造斜段(330m)+水平段(120m)；3#、4#孔的钻孔轨迹为：直孔段(160m)+造斜段(430m)+水平段(100m)；1#孔水平分支段100m，2#孔水平分支段100m；钻孔总进尺：680m+680m+690m+690m+100m+100m=2940m。

图5 L型定向分支孔钻孔轨迹

钻孔孔深0～590m段钻孔为Φ251mm，钻头为四翼合金钻头，在0～160m段下放Φ193.68mm、厚9.52mm的石油套管；160～590m段下放Φ193.68mm、厚10.92mm石油套管并固井。590～690m段钻孔为Φ152mm，钻头为牙轮钻头，进行裸孔注浆。注浆材料采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，配制单液普通水泥浆液，水灰比0.6∶1～0.75∶1。

为了保证注浆能对裂隙有较好的充填和挤密效果，将风氧化带岩层视为由等效骨架和有效裂隙组成的等效体。引入有效裂隙率、等效渗透系数，参考非饱和多孔介质渗流问题，采用实验室试验标定的浆液压力Pg—饱和度曲线，建立了基于流固耦合理论的拟连续裂隙介质渗透注浆模型，按单孔计算了风氧化带浆液扩散半径与注浆压力的关系如图6(a)所示，测定风氧化地层渗透系数为0.0111m/d，孔隙率假定为8%情况下，在注浆48h后，浆液渗透半径r与注浆压力Pg之间的关系如图6(b)所示。

图6 浆液扩散半径与注浆压力的关系

根据数值计算结果，设计采用前进式注浆，每30m注浆一次，注浆后继续推进。注浆压力不小于10MPa，水平钻孔注浆加固段的注浆终压不小于20MPa，注浆结束以浆液流量小于100L/min，且稳定时间不小于20min。

3.3 风氧化带地面预注浆实施效果

1)风氧化带地面预注浆实际总注浆量为30252m3，使用水泥23203t。按实际注浆量计算，水泥浆凝结后净体积为14501m3，假定浆液均匀分布在200m×60m设计注浆范围内，则相当于人工在风氧化带挤入了一层厚1.2m的水泥固结层。

2)对工作面上覆岩体进行取芯，共17个取芯钻孔，其中8个位于风氧化带注浆加固范围之外，9个位于风氧化带注浆加固范围之内，各顶板孔取芯长度为25～31m，取芯情况表明：注浆加固后风氧化带泥岩岩芯呈块状、破碎结构胶结明显。风氧化带未注浆前，9个孔总计约130m的风氧化带内取出长16.5～24.5mm的岩芯合计只有104mm，岩芯占总钻进长度的比例为0.35%。注浆后长度大于30mm的胶结岩体占总钻进长度的比例约为3%～5%，完整性明显增大。高压注浆对风化岩体的微观缺陷进行一定的挤密和补缺作用。

3)工作面回采情况。1512(3)采用倾向长壁区内后退式一次采全高综合机械化采煤法回采，最大采高不超过4.8m，根据岩重法和数值计算综合分析，选用了四柱支撑掩护式液压支架Z13000/24/50，支架工作阻力监测结果反映出：工作面各部位老顶初次来压步距范围为27.7～36.5m，平均31.5m；各部位老顶周期来压步距9.9～18.3m，平均13.20m，初次来压步距及周期来压步距均大于矿区其他类似条件下未注浆工作面。老顶初次来压时，支架工作阻力9206～13016.3kN，开采7d后，直接顶全部垮落并压实采空区，工作面液压支架安全阀开启率较高。在地面预注浆改变围岩顶板结构等综合措施下，整个初放期间，工作面无淋水现象，未出现较为严重的漏顶片帮现象，能够满足初次来压和周期来压时采场的顶板控制要求。