深孔无机注浆替代化学浆技术关键及制约因素分析.pdf

第8期 2020年8月 No. 8 Aug. 2020 山西焦煤科技 Shanxi Coking Coal Sc ienc e Tec hnology 问题探讨 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） 摘 要 介绍了深孔无机注浆技术实施方式和关键技术，并探讨了其制约因素，提出了该技术的 适用条件及解决思路。深孔无机注浆技术为区域性改善措施，能够减少70的化学浆使用量，并不 能完全替代化学浆，应根据具体工程条件，选择深孔无机注浆或者化学浆加固方式。 关键词深孔无机注浆；化学浆；钻孔参数；注浆时机 中图分类号TD265.4 文献标识码B 文章编号1672-0652 （ 2020） 08-0054-03 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⑴.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m ,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。 工作面0 异常区 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. 收稿日期2020-06-24 作者简介薛向阳（1990-）,男，河南济源人,2013年毕业于河南理工大学,工程师，主要从事煤矿生产技术管理工作 （E-mail） 389167839 qq. c om 2020年第8期薛向阳深孔无机注浆替代化学浆技术关键及制约因素分析 55 8 m浅孔注浆封帮 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,l 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56倍，材料颗粒能够进入微小裂隙；使用 水灰比0.61,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. 40. 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050 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020 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” O 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 56 山西焦煤科技2020年第8期 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。 参考文献 [1] 张凌云.大采高综采工作面片帮机理及控制技术研究[J].煤炭工程，2018,50988-90. [2] 任海强.新型无机注浆材料的研发与应用[J].煤矿现代化,2015261-63. [3] 徐光亮，刘旭锋.煤矿破碎围岩注浆加固技术研究现狀分析[J].煤矿安全,20161174-177. [4] 胡黎明，贾勇强，陈红旭.破碎围岩分层注浆工艺及应用[J].煤炭工程,20166 48-50, Analysis on Key and Restrictive Factors of Deep-hole Inorganic Grouting Instead of Chemical Grouting XUE Xiangyang Abstract The implementation s and key tec hnologies of d eep-hole inorganic grouting are introd uc ed, and its restric tive fac tors are d isc ussed, and the applic able c ond itions and solutions of this tec hnology are put forward . Deep-hole inorganic grouting tec hnology is a regional improvement measure that c an red uc e the use of c hemic al slurry by 70 , but c annot c ompletely replac e c hemic al slurry. Deep-hole inorganic grouting or c hemic al slurry reinforc e ment should be c onsid ered and selec ted ac c ord ing to spec ific engineering c ond itions. Key words Deep-hole inorganic grouting ； Chemic al grouting ； Drilling parameters ； Grouting timing