深孔无机注浆替代化学浆技术关键及制约因素分析

薛向阳

(济鑫煤业有限公司 留石村煤矿， 陕西 咸阳 711300)

工作面以往过地质构造，为防止片帮冒顶，多采用提前预注化学浆方式加固煤壁和顶板，但化学浆控制范围有限，成本高[1]. 自2015年开始，晋煤集团联合河南理工大学，展开深孔无机注浆材料及技术装备攻关，目的是超前预注预防、大幅减少化学浆用量、降低注浆成本，并分别在赵庄矿、长平矿、寺河矿进行工业性试验，取得了较多成果[2-4]，但仍存在很多不足，本文针对深孔无机注浆技术关键和制约因素展开探讨，以期能对深孔无机注浆技术发展提供参考。

1 深孔无机注浆技术提出背景

当工作面即将出现，或者已经发生片帮冒顶情况时，煤矿多采用化学浆注浆加固，如马丽散、波雷因等，化学浆反应速度快，强度增长快，黏接性强，注浆加固效果良好，但存在如下问题：

1) 扩散半径小，只能在采面内进行，施工紧张，影响生产。2) 停采将会引起煤壁和顶板破坏范围、程度增大，化学浆消耗量成倍增长。3) 为事故后处理措施，不是预防性措施。4) 注浆成本极高。5) 有毒有腐蚀性、反应高温，易引起自燃。6) 影响煤质，对电厂设备造成损害。

因此，有必要开展工作面两巷深孔预注浆加固技术研究，提前加固构造区煤壁和顶板，减小对回采的影响，减少化学浆使用量。

2 深孔无机注浆实施方式及技术关键

2.1 实施方式

针对构造区范围、特点，超前切眼一定距离，在两顺槽相应位置向工作面内部施工超前深孔，覆盖整个异常区及边缘，注浆示意图见图1. 采用高性能无机注浆材料，在合适的注浆时机对构造区进行预注浆加固，提高煤壁、顶板完整性和强度，减少片帮、漏顶，提高工作面推进速度。

图1 两巷深孔注浆示意图

2.2 技术关键

1) “浅层+深层”钻孔布置方案。

浅层封闭：浅层煤岩体破碎，裂隙、锚杆索孔为主要漏浆通道，且作为工作面端头应力集中区，需要进行注浆封闭加固，深度8 m左右。

深层扩散加固：在浅层封闭的基础上，施工深孔，高压劈裂注浆、充分扩散，对构造及边缘薄弱区域进行加固。钻孔布置方式见图2.

图2 “浅层+深层”钻孔布置方式图

2) 深孔钻孔参数。

两巷深孔注浆关键在于确定深孔钻孔参数，包括开孔高度、深度、仰角、孔径等。钻孔直接决定了浆液流向和加固层位，对注浆效果影响极大。

钻孔参数确定主要为钻孔深度和钻孔层位。钻孔深度一般超过构造区边缘10～20 m为宜；钻孔层位以“控帮立顶”为加固原则，一般设计上、下两排钻孔，上排钻孔加固顶板，提高顶板完整性，防止冒顶，下排钻孔加固煤帮，提高煤帮强度，减少片帮。

钻孔确定步骤：深孔无机注浆加固的煤帮和顶板并不是传统意义上的煤层和直接顶。因为在工作面过构造，比如过断层时，在断层面附近机采高度范围可能并不完全是煤，因此是以实际机采高度范围为依据。在计划进行深孔加固的区域，根据煤层底板等高线、钻探结果等，每隔5 m做一个倾向剖面，在倾向剖面上绘制实际机采高度范围，并依据钻孔深度和层位布置原则，在剖面图上继续绘制钻孔，确定钻孔参数，见图3.

图3 钻孔确定步骤图

3) 注浆加固材料。

浅层封堵时，由于表层裂隙孔洞多，漏浆严重，要求速凝早强，漏浆能够及时凝固。因此，研发了双液无机速凝材料，分为A型和B型，使用时加水分别搅拌，水灰比(0.8～1.2)∶1，然后混合。混合浆1～3 min失去流动性，8～15 min完全硬化；2 h强度10 MPa，1 d强度15 MPa，3 d强度17 MPa.

深层注浆时，由于钻孔深度大，裂隙发育程度低，必须采用超细材料配合高压注浆。因此，研发了超细水泥单液注浆材料，细度1 000目以上，是普通硅酸盐水泥的5～6倍，材料颗粒能够进入微小裂隙；使用水灰比0.6∶1，加水搅拌后，40 min内流动度不小于220 mm，流动性良好，满足深孔充分扩散要求，且不会发生水、料分离沉淀现象；2 h后逐渐胶凝，1 d强度22 MPa，3 d强度40 MPa. 注浆后材料强度迅速增长，满足工作面快速推进需求。

两种注浆材料售价0.4～0.5万元/t，远低于化学浆(>1.2万元/t).

4) 合理注浆时机。

裂隙是浆液扩散通道，裂隙越发育，越容易扩散，反之越难扩散。

随着工作面回采，在前方形成“移动”超前支承压力区，影响范围0～50 m，峰值位置在工作面前方5～12 m.

在超前支承压力影响范围以外，裂隙十分不发育，贯通性差，注浆压力大注浆量小，且注浆结束后，进入超前支承压力区再次破坏，不适合注浆；在工作面前方0～20 m，裂隙十分发育，贯通支架前方煤壁，可注性极强，但存在严重的工作面漏浆风险，难以封堵，造成注浆失败，也不适合注浆。因此，工作面前方20～50 m为理论上的可注区域，且越靠近工作面，可注性越强，现场一般选择在工作面前方20～30 m，随着工作面推进，进行“移动注浆”。

3 深孔无机注浆技术限制因素

3.1 施工条件限制

工作面进风巷一般布置有设备列车、轨道，打钻、注浆设备摆放和施工受到严重影响，有效施工时间短，效率低，提高了施工成本。高瓦斯矿井回风巷供电受时间有限，甚至不具备轨道运输条件，给进料、施工带来困难。

3.2 深孔钻孔参数合理性

采用剖面法确定钻孔参数，剖面主要依据煤层底板等高线，结合地测结果超前预测绘制，在剖面图上进行机采高度范围预测和钻孔参数确定，需要结合地质、回采两个要素。地质剖面准确程度直接影响钻孔参数的准确性。根据目前探测手段，可以基本确定煤层底板等高线，但精确度较差，且回采时机采高度范围会根据实际情况调整。因此，剖面图准确性较差，提前确定的钻孔参数难以信赖，并且深孔施工存在钻杆下沉、偏移问题，钻孔精度较差。

3.3 钻孔无效长度大

当构造位于工作面边缘临近顺槽时，深孔钻孔大部分在构造区内，无效长度小。当构造位于工作面中部，且范围较小时，深孔需要从顺槽帮部开始，穿过大部分无效区域进入构造区，无效长度大，造成浪费。

3.4 钻孔施工难度

深孔无机注浆最大难点在于钻孔施工，注浆相对简单。正常地质条件下钻孔施工比较顺利，当遇到负角度、软煤、破碎带等条件时，孔内排水、排渣困难，打钻效率大幅降低，难以成孔，影响钻孔精度。

3.5 无机注浆材料性能弊端

两种无机注浆材料从反应速度、强度上，完全可以满足堵漏、扩散需求，但是最大弊端在于黏接性差。化学浆能够起到良好的加固作用，关键在于其黏接性能，将破碎煤岩块黏接在一起形成整体，无机注浆材料缺乏黏接性，固结体抗拉性能差，在极破碎区域难以起到良好的加固效果。

4 解决思路

深孔无机注浆加固范围大，机理为裂隙填充，提高整体强度，实现区域性改善，过分要求钻孔精度意义不大。实践证明，深孔无机注浆方式能够降低70%左右的化学浆使用量，仍需使用一部分化学浆，不能完全替代。

受施工限制，深孔无机注浆方式难以普遍应用，当同时满足3个条件时建议采用：1) 构造范围较大，且必须通过。2) 具备打钻施工条件。3) 打钻注浆总费用低于化学浆费用。

5 结 论

深孔无机注浆技术是一项工作面片帮、冒顶提前预防技术，包括“浅层+深层”钻孔布置方案、深孔钻孔参数、注浆加固材料、合理注浆时机等，能够实现区域性改善，大幅减少化学浆用量，减轻企业经济负担，是一项较为完整的加固技术。但存在钻孔施工困难、钻孔精度不足、钻孔无效长度大、施工质量难以保障、浆液黏接性差等问题。深孔注浆并不能完全替代化学浆，应根据具体工程条件选择加固方式。