综采工作面过地质构造异常带注浆加固技术

张 红

（山西晋煤太钢能源有限责任公司，山西 吕梁 033207）

1 工程概况

赵庄二号2309 综放工作面位于二盘区，是该盘区首个圈成工作面，该工作面主采3 号煤层，走向长度为1 500 m，倾向长度为160 m，工作面回采区域平均煤厚度为4.3 m。采煤工艺为综采放顶煤。工作面受地质构造影响，地质条件复杂，煤岩层结构遭到破坏，裂隙大量发育，煤岩体物理强度较低，二盘区2309 综放工作面平面布置情况如图1 所示。

图1 二盘区首采面平面布置图

2 加固区布置

为探明工作面回采范围内的地质情况，在工作面掘进过程中采用物探以及钻探的手段对地质异常带进行了探查，并对异常区域进行注浆加固，保证工作面的安全生产。工作面回采范围内共发育4 条断层和4 个陷落柱。由于地质构造异常区域煤岩体结构会遭到破坏，为避免工作面在地质构造异常范围回采时出现安全事故，结合物探成果，需要对不同的地质构造异常区进行注浆加固，同时为保证能够达到最佳的加固效果，对不同的地质异常构造区设计不同的注浆加固方案[1-2]。由工作面回采方向依次为1 号加固区，对JDF69 断层影响回采区域进行注浆加固；2 号加固区，对JDF70 断层影响回采区域进行注浆加固；3 号加固区，对F119 断层影响回采区域进行注浆加固；4 号加固区，对JDX16 陷落柱影响回采区域进行注浆加固；5 号加固区，对X40、X41、X42 3 个陷落柱及F116 断层影响回采区域进行注浆加固。地质构造异常加固区分布如图2 所示。

图2 地质构造异常加固区分布图

3 加固区注浆方案

根据赵庄二号井生产接替方案，结合1-5 号加固区对工作面回采的影响程度，最终确定只保留4号以及5 号加固区，加固区域共计100 m 范围。4、5号加固区使用的注浆加固工艺均为深孔注浆结合浅孔注浆[3-6]，选用联邦加固Ⅱ型（单液）做为本次注浆加固的注浆材料。

3.1 4 号区加固设计

2309 综放工作面4 号加固区位于切眼向外813～893 m 范围，走向长度为80 m，倾向长度为160 m，注浆加固面积为12 800 m2，该加固区针对JDX16 陷落柱影响范围进行注浆加固，该区域钻探成果表明煤岩体破碎情况较为严重，为保证加固效果，分别在工作面两侧巷道布置对穿钻孔，保证对该区域充分加固。图3 为4 号加固区注浆加固钻孔布置平面图。

图3 4 号加固区注浆加固钻孔布置平面图

1）注浆浅孔设计。考虑到本次注浆加固选用注浆材料具有高流动性，大扩散范围的特点，决定采用先浅孔注浆后深孔注浆的加固方案。首先在工作面两侧巷道分别向4 号加固区布置注浆浅孔，每侧巷道布置两排注浆浅孔，孔径42 mm，孔深30 m，上排钻孔距巷道底板距离为2 m，下排钻孔位于上排钻孔以下1 m，距巷道底板1 m，钻孔间距2 m，垂直于巷帮向工作面内部钻进，每侧巷道各布置注浆浅孔82 个，共计164 个。图4 为注浆浅孔布置示意图。

图4 4 号加固区注浆浅孔布置示意图

2）注浆深孔设计。4 号加固区注浆深孔分两排交错布置，其中23091 巷内注浆深孔上排距底板1.5 m，钻孔间距为10 m，下排注浆深孔距底板0.8 m，钻孔间距同样为10 m，孔径75 mm，孔深60 m，以仰角1.5°向工作面内部钻进。23091 巷注浆深孔布置数量为17 个。图5 为23091 巷注浆深孔布置示意图。

图5 4 号加固区23091 巷注浆深孔布置示意图

23092 巷注浆深孔同样分2 排布置，上排注浆深孔距底板2 m，下排注浆深孔距底板1 m，钻孔间距为10 m，上下排钻孔交错布置，孔径75 mm，孔深50 m，以仰角2°向工作面内部钻进。23091 巷注浆深孔布置数量同样为17 个。23092 巷注浆深孔布置见图6。

图6 4 号加固区23092 巷注浆深孔布置示意图

3.2 5 号区加固设计

由于5 号区域内发育3 个陷落柱和1 条断层，影响范围过大，加上钻探结果表明该区域煤体结构遭到严重破坏，破碎程度大，力学及复杂，为避免出现安全事故，决定避开该区域施工二切眼。为确保工作面安全撤架，在5 号加固区向一切眼方向20 m 范围进行注浆加固。图7 为5 号加固钻孔布置平面图。5 号加固区注浆浅孔与注浆深孔布置参数同4 号加固区。注浆加固区域走向长度为20 m，因此，5 号加固区注浆浅孔布置数量为每侧巷道22 个，共计44个，注浆深孔布置数量为每侧5 个，共计10 个。

图7 5 号加固区注浆加固钻孔布置平面图

4 施工工艺及设备

4.1 钻孔施工工艺

由于加固区域属于地质构造异常带，煤炭体结构受损较为严重，容易出现塌孔、压钻等情况。因此决定采用分段式成孔法进行钻孔施工，分段式成孔法是指在钻进过程中煤岩体较为破碎出现卡钻压钻现象时，立即退钻，使用法兰盘对钻孔进行不插管注浆，采用速凝浆液快速加固钻孔，然后下入套管，使钻孔分段成型。具体施钻流程如下：

1）以钻孔设计参数调整钻机位置、角度，使用φ135 mm 钻头以设计参数钻进6 m 后退钻，然后下入孔口套管对其注浆进行固定。

2）孔口套管固定后，换φ75 mm 钻头继续钻进至孔深30 m 处退钻，然后继续使用速凝浆液对钻孔进行注浆加固，完成加固后继续钻进至60 m 成孔后退钻注浆。

3）钻孔打设完成后，在孔内插入32 mm 直径的PE 管作为注浆管，PE 材质具有较好的强度，能够在一定程度上起到支撑孔壁的作用。在孔口安装φ108 mm 套管2 根，每根长2 m，共计长度为4 m，以φ108 mm 接箍进行连接，孔口法兰使用耐压型高强度法兰，保证承压能力不低于15 MPa。

4.2 钻机及注浆设备选型

赵庄二号井自有的ZDY800 型矿用坑道全液压钻机能够满足本次注浆加固钻孔的施工需求，该钻机配备φ75 mm 钻头2 个，φ50 mm 钻杆100 根。注浆设备选用型号为2ZBQ40/11 的气动式注浆泵做为浅孔注浆设备，选用型号为ZBYSB100/20 的双液压式注浆泵做为深孔注浆设备，功率为18.5 kW，同时准备气动式浆液搅拌桶。

4.3 注浆材料及浆液配比

本次注浆加固材料选择以联邦加固Ⅱ型（单液）为主要注浆材料，当钻孔出现严重漏浆情况时，可与联邦加固Ⅱ型（双液）进行交替使用以保证注浆效果。联邦加固Ⅱ型浆液主要成分为无机组分，联邦加固Ⅱ双液型在混合后10 min 可达到初凝效果，1 h凝固效能够达到8 MPa 承压强度，1 d 后承压强度达到15 MPa。联邦加固Ⅱ单液型具有高流动性、高扩散性，凝结效果好，凝结强度高等优点，24 h 凝固强度能够达到25 MPa，3 d 凝固强度可达到35 MPa 以上。

联邦加固Ⅱ型（单液）做为主要注浆材料，水料配比为1∶0.6，为解决漏浆问题，联邦加固Ⅱ型（双液）水料配比为1∶0.8 。注浆效果的优劣除注浆材料外，合适的注浆压力也很重要。因此，根据以往的注浆经验，设计浅孔注浆压力为4～8 MPa，深孔注浆压力为12～15 MPa。

4.4 加固效果观测及分析

在注浆加固完成后，2309 综放工作面回采顺利通过4 号加固区，在过加固区过程中，工作面围岩稳定性较大，仅个别支架处出现掉矸现象，工作面在过加固区回采速度达到了2.6 m/d，达到了正常回采速度的86 %，每循环推进结束后，支架阻力基本在2 250～2 350 kN 左右，注浆加固效果显著。在工作面通过4 号加固区域边缘位置时，工作面并未出现片帮、冒顶的现象，顶板完整性较高，经矿压观测，4 号加固区两帮围岩变形量在53～64 mm 之间，顶板下沉量在76～97 mm 之间，证明本次加固区的注浆效果达到目标。

5 结 语

为保证复杂地质条件工作面能够安全顺利回采，赵庄二号井结合物探及钻探手段对工作面内地质构造异常带进行了探明，通过构造异常带对工作面的影响进行分区域注浆加固，根据工作面实际地质情况，对加固区注浆加固参数进行了科学合理的分析总结，注浆加固效果满足了工作面的安全回采，并且回采速度也得到保证，类似地质条件工作面的安全回采提供理论和经验基础。