冯志强
(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京，100013;煤炭科学研究总院开采设计分院，北京，100013)
作者简介: 冯志强(1975—)，男，内蒙古呼和浩特市人，博士，高级工程师。主要从事破碎煤岩体的注浆加固技术研究。
【摘 要】 本文针对煤矿井下受断层、褶曲及裂隙带等构造影响的破碎煤岩体回采工作面或掘进工作面，开发了在回采顺槽或其他通道提前进行深孔预注浆的工艺与方法，使采煤工作面或掘进工作面能安全、快速通过破碎构造带，不仅能确保煤矿安全、消除安全隐患，而且可提高工作面煤炭产量与效益，提高生产效率。
【关键词】 预注浆; 深孔注浆; 破碎煤岩体
1 前言
在煤矿开采过程中经常遇到断层、褶曲及裂隙发育带等地质构造; 煤岩体松散破碎，极易出现大面积冒顶、片帮及突水事故，严重威胁煤矿井下安全生产。对破碎煤岩体实施注浆加固是解决上述问题的有效途径。根据注浆材料可分为两大类: 水泥注浆与化学注浆。水泥类注浆材料由于固化时间长、不能注入细小的裂缝等缺点，不适用于煤岩体快速加固。化学注浆材料属于有机高分子材料，包括聚氨酯、环氧树脂、脲醛树脂等，主要通过压力或化学渗透作用灌入煤岩体裂隙中，能在较短的时间内固结并达到较高的强度，使松散破碎围岩胶结成连续体。化学注浆材料具有粘度低、渗透性好、强度增长快、粘结强度高、变形性好等优异的性能，已在煤矿、隧洞、水利水电、铁道、市政等工程领域中得到较广泛的应用［1～3］。
目前，针对采煤工作面破碎煤岩体超前加固所采取的注浆方式都是浅孔注浆。一般钻孔深度在2～5m，在采煤工作面注浆，随注随采。不仅不能从根本上解决断层、褶皱及裂隙发育带等构造带带来的安全隐患，而且影响采煤工作面的正常生产，降低了煤矿生产效率。
如果能在回采顺槽或其他通道，采用深孔预注浆的方式，提前将破碎煤岩体进行加固，这样不仅注浆加固效果好，节约加固成本，而且不影响采煤工作面正常生产，提高了工作面煤炭产量与效率。目前常用的深孔注浆工艺一般为地面深孔注浆，即从地面钻孔直接延伸到需加固的破碎煤岩体内，然后在地面安设注浆设备从地面进行注浆。该施工工艺的缺点是:①工艺复杂、工程量大; ②要求测量精度高、钻孔距离长，容易造成角度偏离; ③对注浆设备的压力以及注浆液要求高; ④浆液输送距离长，浆液浪费严重; ⑤容易造成浆液输送管路的堵塞。本文主要针对回采工作面内遇到断层或褶曲等构造产生的破碎煤岩体进行加固，为了能不影响回采工作面正常回采，可在两顺槽选择合适的钻孔地点进行深孔超前预注浆。其特点是: ①施工工艺简单; ②钻孔工作量小; ③同一钻孔可实现分段注浆; ④封孔注浆可一次性完成，效率高。
因此，无论从煤矿安全角度，还是从提高煤炭产量与效益的角度，都需要开发在回采顺槽或其他通道实施的深孔预注浆加固工艺与方法。
2 深孔注浆实施途径
本文研究的目的是提供一种针对破碎煤岩体超前深孔化学注浆的一种封孔和施工工艺，通过该工艺能从根本上解决由于断层、褶皱等构造带对回采或掘进工作面生产带来的不利影响，提高生产效率、消除安全隐患［4～6］。
2．1 深孔注浆封孔工艺
(1)深孔注浆封孔是通过封孔器实现的。封孔器由管芯、扣压环、单向阀、拆卸接头、排液接头、堵片等几部分组成。深孔注浆封孔器胶筒外径为75mm，膨胀后最大可达到115 mm; 芯管与连接套总长度为420mm; 封孔压力可达10MPa以上; 结构如图1所示:
图1 封孔器结构图
1—连接套; 2—堵片; 3—扣压环; 4—封孔器芯管; 5—封孔器胶筒;6—出液胶套; 7—扣压环; 8—弹簧; 9—钢球; 10—阀座
(2)在封孔器前端连接上射浆导流管，射浆管一般由壁厚3mm的6分PVC管制成，根据需要切割成1～2m长的分段。插入钻孔的射浆管长度根据受浆段长度决定，基本上按照受浆段长度减少1m来确定。封孔器尾端连接上注浆管，注浆管由6分无缝钢管制成，长短可以制成1～2m，要根据现场施工方便程度决定，注浆管两端都需车成丝扣以方便通过连接套接长注浆管;
(3)再在注浆管尾部接上注浆高压胶管、静态浆液混合器以及化学注浆泵。静态混合器是由“Y”字形三通前端加上一段直径6分、100mm长的无缝钢管，内部装入螺旋状芯管制成，保证浆液通过时能很好地进行混合达到理想的加固效果;
(4)开动化学注浆泵，让浆液充满封孔器管芯与胶套之间的空间，使胶套外表面与钻孔周边紧密贴合、摩擦力增加，实现封孔的目的。随着浆液量增加，压力逐渐升高，当压力达到3MPa时，浆液将冲开封孔器前端堵片，浆液将沿着射浆导流管进入钻孔并逐渐固化，实现自动封孔注浆一次完成。
2．2 回采工作面遇到断层破碎带在顺槽超前深孔预注浆施工工艺
深孔预注浆施工工艺流程如图2所示。
(1)在顺槽内选择距离断层破碎带最近的地点安放钻机、注浆泵等设备。由于钻孔深度比较长，一般使用地质钻机配备φ93钻。钻孔的方向、倾角、高度需要精确计算。钻孔方向要与断层斜交或正交，尽量降低钻孔的长度，直到倾斜向上穿过断层等破碎带1～2m;
(2)根据钻孔深度确定分段注浆，并确定各受浆段长度。根据注浆泵最大压力以及裂隙发育情况确定各受浆段长度，一般受浆段长度在8～15m之间;
(3)将射浆管逐段连接送入钻孔，然后连接封孔器、连接注浆管、静态混合器以及注浆高压胶管;
(4)将清洗注浆泵的清洗液倒入料筒，开动注浆泵，先用清洗液对注浆泵进行清洗，然后在料筒内加入注浆液;
(5)当注浆液逐渐进入管路，压力升高，封孔器发生变形膨胀与钻孔壁面贴合紧密，浆液将冲破堵片，沿着射浆管进入钻孔扩散到破碎煤岩体裂隙;
(6)待注浆压力升高到设计压力时，停止注浆泵，打开管路泄压阀，拆卸封孔器尾部以外的注浆管。由于在封孔器尾部使用的连接套为反扣，因此在拆卸过程中可以一次性将封孔器与注浆管分离而不会导致在钻孔内连接的注浆管脱落;
(7)取出注浆管、重新连接封孔器，在同一钻孔内重复步骤(2) ～(5);
(8)当该孔注浆结束后重复步骤(6)，进行下一注浆孔注浆。
图2 深孔预注浆施工工艺流程图
2．3 掘进工作面遇断层破碎带超前深孔预注浆施工工艺
(1)在工作面煤墙前方选择平坦地方放置钻机、注浆等设备;
(2)在工作面煤墙平行于巷道走向布置一排2～3个注浆深孔，深度15～20m; 布置示意图见图3所示。使用深孔注浆封孔器封孔，分段注浆，第一段封孔深度8～10m，封孔器连接7～8m射浆管，射浆管隔0.3m对穿射浆孔，孔径φ3mm; 第二段封孔在孔口2m注浆;
图3 掘进工作面超前深孔注浆钻孔布置示意图(单位: mm)
(3)第一阶段注浆完毕后可进行正常掘进施工，在掘进至钻孔底部前方1～2m处时，停止掘进，进行下一个循环的注浆，步骤同(2);
(4)通过两个注浆循环与掘进，逐渐摸索浆液渗透规律和扩散范围，可加大注浆孔的深度以使巷道掘进能够正常化;
(5)第二阶段将注浆孔深度加大至30～40m，分段注浆，将封孔器塞到离孔口15～20m处，封孔器连接14～19m射浆管，射浆管隔0.5m对穿射浆孔，孔径φ3mm; 进行第一段注浆，为达到良好的注浆效果需适当提高注浆压力以使浆液很好地渗透; 第二段注浆封孔到离孔口2m范围，自动完成注浆过程。步骤同工艺(2) ～(5)。
2．4 深孔注浆浆液性能指标
针对煤矿井下特殊要求，同时研发了与深孔注浆相适应的硅酸盐改性聚氨酯注浆材料。研发的注浆材料综合了有机高分子材料的固化速度快、粘结强度高、柔韧性好、渗透性强和无机材料高强度、高刚度、低放热量、高阻燃性的特点，通过合理调配，形成了配伍性好、稳定程度高、粘度低、安全难燃的双组分浆液体系。通过双液化学注浆泵混合注入地层后，能形成一种无机、有机互穿网络的高分子结构，将破碎围岩牢固地粘结在一起，起到加固和补强的作用［7］。
(1)加固型硅酸盐改性聚氨酯材料性能
①数分钟即可固化并可根据施工需要调整，24h后即能达到40MPa以上的抗压强度。
②无溶剂、高闪点、不可燃，特别适合密闭巷道中施工。
③无论在干燥、潮湿和有水环境，浆液均不发泡，且固化快、强度高。
④在流动水中不会被稀释、溶解，固结体仍有较高强度。
⑤固结体韧性好，压缩20%～30%也不脆裂。
⑥施工方便，现场无需专门配浆，通过双液比例泵自动混合后即可注浆。
具体指标表1所示:
表1 加固型硅酸盐改性聚氨酯注浆材料性能指标表
(2)与纯聚氨酯注浆材料相比其性能优越
①数分钟即可固化，4h即能达到30MPa以上的抗压强度。粘结强度超过3MPa以上。
②该材料液态下，A组分不可燃，B组分属于高闪点、无挥发性材料; 反应温度低，固化后具有抗静电、不可燃等特性，安全可靠，对环境以及地下水无污染，环保可靠，特别适合密闭巷道中施工。与一般的注浆材料相比更安全，一般的注浆材料是通过加入阻燃剂实现阻燃，而现行的阻燃标准是在撤离火源后在3s内窒熄，而且通用的阻燃剂都是卤化物，在高温下容易分解，释放有毒有害气体，所以在煤矿井下通常使用的加固材料一旦起火，将无法自行熄灭，而且会造成更大的有毒有害气体扩散，对施工人员的健康造成伤害。
③浆液凝固速度可根据现场需要进行调整，这样有利于针对不同的地质条件进行注浆，起到良好的加固效果。
④浆液粘度低，能渗透到破碎岩体的微裂隙中，也适合深孔注浆，在超前预注浆过程中能达到更好的加固效果。
⑤该材料无论在干燥、潮湿和水中环境中，均不发泡，且固化快、强度高; 而一般的注浆材料在有水环境中不固化或发泡倍率增大使强度降低。
⑥在流动水中不会被稀释、溶解、扩散，固结体仍有较高强度。
3 应用实例
3．1 概况
淮南矿业集团潘一煤矿21413(3)工作面，工作面设计走向长度1382 m，由于受F21413－6断层影响，于2010年6月10日开始回采，7月16日至8月30日及9月17日至9月25日工作面出现两次倒架现象。10月2日凌晨由于78#架头着火导致工作面封闭。停采时间近两个月，致使工作面回采前方煤体裂隙增大，工作面煤体变得酥软，严重影响工作面的正常回采和掘进。为了保证工作面恢复生产安全通过断层影响范围，对该工作面断层影响范围进行超前预注浆加固。
3．2 注浆方案确定
综合分析该工作面的特点以及巷道的布置，注浆超前加固施工必须有效恢复工作面煤岩体完整性，使受断层影响的破碎煤岩体重新固结形成整体，以防止在工作面回采期间发生煤壁片帮和冒顶事故。注浆的目的是充填粘结受断层影响范围内的煤岩体发生的离层、开裂形成的裂隙，将破碎的煤岩体进行重新组合，尽量恢复并构成完整的煤岩体结构，进而形成连续的传力结构体，大幅度提高加固质量和效果。注浆后，破碎围岩基本上恢复连续状态。本次加固的主要目的是将受F21413－6断层影响21413工作面范围内的煤岩体通过超前注浆加固，将破碎的煤岩体进行重新固结形成整体。为施工方便从钻孔施行预注浆。为了便于钻机的安设，确定在1#钻场至2#钻场之间进行工作面的预注浆。
施工地点确定在与工作面方向斜交的措施巷进行。具体注浆钻孔布置示意图如图4、图5所示。
3．3 注浆效果分析
为了对受断层影响工作面加固后的破碎煤岩体效果进行有效评价，在被注煤岩体内进行了钻孔取芯。图6为在注浆区域钻孔取芯效果检测。通过钻孔取芯可以了解到通过深孔注射硅酸盐改性聚氨酯注浆材料，应用于裂隙型破碎煤岩体加固，浆液在裂隙内充填饱满，裂隙消除，破碎煤岩体整体性显著提高。浆液固化对裂隙面具有较强的粘结力，粘结面能够承受较大外力，不再发生二次开裂。注浆后破碎煤岩体稳定性显著增强，为工作面正常掘进，维护掘进上方破碎煤岩体的煤稳定奠定了基础。
图5 21413(3)工作面过断层注浆孔布置平面图
图6 注浆加固区取芯效果图
3．4 深孔注浆效果评价
(1)针对回采工作面内遇到断层或褶曲等构造产生的破碎煤岩体进行加固，可在两顺槽选择合适的钻孔地点进行深孔超前预注浆。其特点是: ①施工工艺简单; ②钻孔工作量小;③同一钻孔可实现分段注浆; ④封孔注浆可一次性完成，效率高。
(2)破碎煤岩体超前深孔化学注浆的封孔和施工工艺，能从根本上解决由于断层、褶皱等构造带对回采或掘进工作面生产带来的影响，提高生产效率，消除安全隐患。
(3)通过超前深孔注浆加固后，该工作面顺利通过了断层破碎带，在回采过程中没有发生片帮冒顶等现象，效果良好。
参考文献
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［6］郭广礼，邓喀中，何国清，等. 采动破裂岩体地基注浆加固及其检测技术［J］. 中国矿业大学学报， 2000，29(3): 293－296.
［7］冯志强. 硅酸盐改性聚氨酯注浆材料在煤矿井下巷道加固的应用［J］. 长江科学院院报，2013，30(10):99－103.
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