赵庄二号井2309工作面构造区注浆加固技术研究

2021-04-01王全明

山西煤炭 2021年1期

王全明,邢超

(山西晋煤集团赵庄煤矿,山西长治 046608)

赵庄二号井是晋煤集团的生产矿井,井田范围内开采3#煤层。西翼盘区为矿井新开拓盘区,地质资料缺乏。由于井田西翼范围内煤层强度低,节理、裂隙发育松软破碎,加上赵庄二号井井田范围内地质构造比较复杂,受地质构造运动影响比较明显,断层、陷落柱、破碎带等特殊地质构造比较发育,工作面回采过程中安全问题突出。

赵庄二号井2309工作面走向长1 500 m,倾斜长160 m,煤层为3#煤层,平均厚度为4.2 m。工作面布置如图1所示。

图1 2309工作面布置图Fig.1 Layout of No.2309 working face

根据工作面物探和钻探结果,JDF70正断层、JDX16、X40、X41和X42四个陷落柱对工作面回采影响较大;JDF69和F119断层对巷道影响较大,断层及陷落柱的位置如图2所示。将JDF69断层单独划分为为1#加固区;将JDF70断层单独划分为为2#加固区;将F119断层单独划分为3#加固区;将JDX16陷落柱单独划分为4#加固区;将X40、X41、X42陷落柱划分为5#加固区。由于断层区、陷落柱和异常区附近一般煤岩体破碎,在工作面回采至该区域时容易出现片帮冒顶,因此需要对该区域进行注浆加固。结合槽波探测结果,对2309回采工作面不同构造的异常区域,分别设计注浆加固方案,确定合理的巷道及工作面构造区注浆钻孔参数、注浆加固工艺和技术,并进行加固效果监测,控制片帮冒顶的发生,保证回采工作面的安全开采[1]。

图2 2309工作面构造分布图Fig.2 Tectonic distribution of No.2309 working face

1 注浆加固方案

根据各个加固区对工作面影响程度,结合矿方要求,仅对4#加固区和5#加固区进行加固,预计加固范围200 m。两处加固区域均采用浅孔和深孔结合的注浆工艺[2]。

1.1 4#加固区注浆加固方案

4#加固区为JDX16陷落柱。由于钻探显示陷落柱内较为破碎,为保证工作面回采安全,在工作面两侧23091和23092巷对穿钻孔,对陷落柱内外破碎区进行整体注浆加固。分别在23091巷和23092巷布置钻孔,钻孔布置投影如图3所示。

图3 4#加固区钻孔布置投影图Fig.3 Projection of drilling hole layout in No.4 reinforcement area

注浆加固主要在23091巷和23092巷道内实施。其中23091巷道的注浆加固范围是与2103巷交叉口800～880 m,共80 m范围。由于联邦加固单液注浆材料流动性好、扩散范围大,为避免深孔注浆时大范围漏浆造成注浆终止,因此在深孔注浆前,先进行8 m浅孔封闭。结合以往注浆加固经验,浅部注浆钻孔分两排布置,呈矩形,上排距底板2 m,下排距顶板1 m,间距均为2 m,垂直巷(煤)帮开孔,共布置82个钻孔,孔径均为42 mm。钻孔布置平面图如图4所示。

图4 4#加固区23091巷浅孔钻孔布置图Fig.4 Layout of shallow drilling holes in No.4 reinforcement area of 23091 roadway

深孔钻孔布置为上下两排,上排孔开孔高度距离底板1.5 m,钻孔间距10 m,孔径75 mm;下排孔开孔高度距离底板0.8 m,钻孔间距10 m,孔径75 mm,仰角为0～1.5°。距离与2103巷交叉口800 m位置为1#钻孔,共布置17个钻孔,钻孔布置如图5所示。

图5 4#加固区23091巷深孔钻孔布置图Fig.5 Layout of deep drilling holes in No.4 reinforcement area of 23091 roadway

23092巷施工范围:与2103巷交叉口800～880 m,共80 m范围。8 m浅孔布置方式与23091巷一致。深孔布置方式:钻孔布置方式、间排距级孔径与23091巷一致,上排孔距底板2 m开孔,下排孔距底板1 m开孔距离,仰角为1.5～2°。与2103巷交叉口800 m位置为1#钻孔,共布置17个钻孔,钻孔布置平面图如图6所示。

图6 4#加固区23092巷钻孔深孔布置图Fig.6 Layout of deep drilling holes in No.4 reinforcement area of 23092 roadway

1.2 5#加固区注浆加固方案

5#加固区影响范围极大,计划甩过重掘切眼,在23092巷撤架。第一阶段工作面停采线附近20 m区域煤体预计较为破碎,为保证顺利停采撤架,需要对停采线附近20 m区域煤体进行两巷深孔注浆加固。钻孔布置投影如图7所示。

图7 5#加固区钻孔布置投影图Fig.7 Projection of drilling hole layout in No.5 reinforcement area

5#注浆加固区的浅孔注浆和深孔注浆的钻孔的孔深和开孔高度等参数与4#加固区一致,仅仅在钻孔数量和施工范围方面不同。23091巷施工范围自与2103巷交叉口580～600 m,共20 m范围,共布置22个浅孔注浆钻孔,孔径均为42 mm。深孔注浆钻孔布置在距离与2103巷交叉口580 m位置为1#钻孔,共布置5个钻孔。23092巷施工范围和钻孔数量及参数与23091巷道一致。

2 钻孔施工及注浆工艺

2.1 钻孔工艺

如钻孔成孔良好,一次成孔率高,则采用一次成孔方式。如出现异常区塌孔、卡钻现象严重时,可以采用分段成孔方式进行。分段成孔方式的操作是：如遇破碎、卡钻严重时,可以先退钻,不必插管,利用法兰盘对破碎区进行双液快速注浆加固,然后进行套孔。采用分段成孔,施工分三个阶段进行。

1)安装固定套管。按照钻孔设计参数,架设钻机,先采用Φ133 mm钻头施工,施工至6 m时退钻,安装孔口套管并采用注浆固定。

2)浅层破碎带钻进及注浆。孔口套管安装固定结束后,按照设计钻孔参数架设钻机,采用Φ75 mm钻头进行打钻施工,施工至30 m时退钻,并采用联邦加固1号(双液)材料进行浅层注浆护孔。

3)钻进成孔、插管及封孔。打钻成孔后,退出钻杆,进行插管封孔工作。孔内插入直径为32 mm的PE管作为浆液导流管，与此同时PE管还能起到孔壁支撑作用。孔口套管及安装套管长度为4 m,直径108 mm,由两节组成,每节2 m,中间用接箍连接,以确保前阶段注浆有效。套管末端焊接高压法兰盘,至少承受15 MPa的注浆压力。

2.2 钻孔及注浆设备

采用ZDY800煤矿用全液压坑道钻机,配套50 mm钻杆80根,75 mm钻头若干。注浆设备:浅孔注浆采用2ZBQ40/11型气动注浆泵,深孔注浆采用ZBYSB100/20-18.5 kW液压双液注浆泵1台,QB260气动搅拌桶2台。

2.3 注浆材料

封孔采用联邦双液注浆材料,注浆以联邦单液注浆材料为主,漏浆严重时可以与联邦双液材料交替进行。联邦双液注浆材料主要是无机双液组分,可注性强。两种组分在混合前6 h内不泌水,混合后10 min内初凝,1 h强度可达8 MPa,1 d后强度可达15 MPa;联邦单液注浆材料同样为无机组分,材料的流动性强,结石体率高, 24 h强度可达25 MPa以上,3 d强度可达35 MPa以上。

单液正常注浆水灰质量比0.6∶1,双液正常水灰质量比为0.8∶1。注浆压力对注浆效果影响较大,浅孔注浆压力4～8 MPa,深孔注浆最大注浆压力控制在12～15 MPa[3-4]。

2.4 施工工艺流程

注浆施工整体需要自里往外施工。自切眼向外施工,施工进度必须满足工作面回采速度需要。深孔先打孔、封孔,暂不注浆,当进入工作面前方50 m以内时,再进行注浆[5]。同时按照以下流程进行:

1)安全检查。施工前由当班安全负责人和工程负责人对现场进行安全检查排除安全隐患后方可开工。

2)定眼位。根据设计,确定注浆钻孔位置。

3)打眼。打眼严格执行定人、定钻、定眼、定量的“四定”制度,操作人员应该注意力集中。

4)安装注浆钢管。按照设计要求,插入注浆钢管,封孔段不能少于1 m。

5)封孔。按照设计要求,采用注浆泵向封孔段灌注注浆材料。

6)注浆。按照设计要求,连接注浆泵进行注浆,注浆过程应根据注浆情况,调整注浆压力、流量等参数。

2.5 注浆效果分析

注浆后,对4#异常区注浆加固效果进行了考察。工作面顺利回采,没有大面积的片帮冒顶现象,工作面推进速度3.01～3.08 m/d,支架末阻力一般在2 300～2 580 kN之间;通过异常注浆加固区边缘时,工作面没有片帮,顶板大部分良好,仅有个别架出现漏矸掉渣现象,工作面推进速度2.5 m/d,为正常条件下的83%,推进速度较快,比正常区域略有增大。加固区域巷道变形量小,两帮移近量最大为65 mm,顶板下沉量最大为95 mm。整体说明构造区域展开的注浆加固效果良好。