馬蘭礦18506工作面過斷層注漿加固技術(shù)實(shí)踐

牛健健

（西山煤電馬蘭礦 ，山西 古交 030200）

1 工程概況

馬蘭礦的18506綜采工作面開采的煤層為石炭系太原組8號(hào)煤層，屬于穩(wěn)定可采厚煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中部和中下部均有加矸，煤層厚度3.80～4.80m，平均為4.3m。根據(jù)工程資料及在開拓掘進(jìn)中揭露的，工作面共有31條發(fā)育的斷層，落差為0.2～3.6m。自該工作面建成投產(chǎn)以來，由于褶曲、斷層等構(gòu)造的發(fā)育，使很難較好的布置工作面，降低了煤炭回采率，提高了噸煤成本，且經(jīng)常發(fā)生冒頂事故，且每次冒落的高度、面積均有較大差異，嚴(yán)重影響到礦井安全和正常生產(chǎn)。因此，針對(duì)于18506工作面斷層的構(gòu)造特征，來選去合理的過斷層的工藝和方法，使工作面內(nèi)的采掘設(shè)備能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證工作面的正常生產(chǎn)。

2 回采工作面過斷層頂板穩(wěn)定機(jī)理探究

2.1 頂板圍巖理論模型

進(jìn)行采煤作業(yè)時(shí)，有效的管理回采工作面的頂?shù)装?，為人員設(shè)備提供安全充足的空間，是工作面正常生產(chǎn)的重要條件[1]。煤炭的開采，破壞了原本支承著上覆巖層的煤層，導(dǎo)致原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞，液壓支架來承受上方巖層的壓力，使應(yīng)力重新分布，結(jié)構(gòu)重新穩(wěn)定。對(duì)于頂板的穩(wěn)定和變形，國內(nèi)外都有著很多的理論，我過普遍認(rèn)可且較為成熟的有＂砌體梁＂理論和“傳遞巖梁”理論，不僅解答了工作面上方圍巖的形態(tài)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且為礦壓控制理論奠定了參數(shù)基礎(chǔ)[2.3]。

2.2 工作面遇斷層時(shí)頂板受力狀態(tài)分析

圖1 斷層一

圖2 斷層二

采煤工作面頂板的穩(wěn)定，很大程度上取決于老頂?shù)臓顟B(tài)，如果老頂能夠自穩(wěn)，老頂破斷形成的巖塊間相互擠壓，形成類似拱的一種平衡結(jié)構(gòu)，即形成“砌體梁”。但是，由于斷層的發(fā)育影響了老頂?shù)倪B續(xù)性，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層附近時(shí)，有下面兩種結(jié)構(gòu)模型，一組是工作面的推進(jìn)方向與斷層傾向相反，工作面由斷層的下盤向上盤推進(jìn)如圖1。另一組工作面推進(jìn)方向與斷層傾向相同，工作面由斷層上盤方向向下盤推進(jìn)如圖2。

在斷層一結(jié)構(gòu)模型中，斷層面所受正應(yīng)力：

斷層面的剪應(yīng)力：

平衡條件為：

（Tcosθ-Rsinθ）tanφ≥Rcosθ+Tsinθ

Tsin(φ-θ)≥Rcos(φ-θ)

在斷層二結(jié)構(gòu)模型中，斷層面所受正應(yīng)力：

斷層面的剪應(yīng)力：

平衡條件為：

式中：T為水平方向推力；R為剪切力；φ為巖塊間的摩擦角；θ為斷裂角。

無論哪種結(jié)構(gòu)的斷層，在采煤工作面通過它時(shí)，總是要破壞其原有的平衡狀態(tài)，在第一種情況下，頂板巖層會(huì)隨著工作面的推進(jìn)不斷的向工作面后方翻轉(zhuǎn)、下沉，斷層下盤下煤柱越來越窄，導(dǎo)致煤體對(duì)于巖層的支護(hù)能力下降，巖塊B的剪切力越來越大，工作面上方的巖塊很難取得平衡，很容易發(fā)生冒頂?shù)仁鹿?。而在第二組情況下，隨著工作面推進(jìn)，斷層面的正應(yīng)力增大，工作面后方老頂懸空的長度增加，液壓支架上形成應(yīng)力集中，很可能發(fā)生壓架事故。總之，必須采取有效的方式解決采煤工作面過斷層的問題。

3 過斷層技術(shù)方案的選擇

3.1 方法討論

在選擇采煤工作面過斷層時(shí)，主要考慮兩個(gè)方面的因素[4]，一是在斷層處煤層的厚度，它對(duì)過斷層的難易程度具有很大影響，當(dāng)煤層越厚，也就越容易。二是工作面采運(yùn)設(shè)備最小采煤厚度，允許的煤層越薄就越容易通過斷層。工作面過斷層的主要方法有以下幾種：

1）調(diào)整采高法，在工作面距斷層還有一定距離時(shí)，提前通過留底煤或者留頂煤的方法降低采高，每刀留煤100～150mm，通過斷層后重新恢復(fù)正常采高。該方法的前提是上下盤之間的煤層高度大于設(shè)備允許的最小煤層厚度。

2）留頂臥底法或挑頂起底法，當(dāng)圍巖不是很堅(jiān)硬時(shí)，用采煤機(jī)切割圍巖通過，當(dāng)煤層頂?shù)装遢^為堅(jiān)硬時(shí)，采用方震動(dòng)炮進(jìn)行巖層破碎，再用采煤機(jī)切割。前提是斷層上下盤頂?shù)装逯g的煤層高度小于設(shè)備允許最小煤層厚度時(shí)。上述兩種方法均需要煤層頂?shù)装迥軌蛟诠ぷ髅孢^斷層中，沒有冒頂、壓架等事故的危險(xiǎn)，18506工作面共有31一個(gè)已知的斷層，其結(jié)構(gòu)、大小、賦存特征存在很大差異，因此必須進(jìn)行斷層加固，才能保證工作面安全順利的通過。

3.2 圍巖注漿的理論基礎(chǔ)

通過對(duì)斷層進(jìn)行注漿，可以增大斷層上下盤的連續(xù)性，使斷層更接近于正常的巖層。注漿加固主要有以下效果：

1）高壓漿液進(jìn)行斷層充填，煤體在礦壓的作用下產(chǎn)生大量的裂隙由漿液填充，漿液在煤巖體中縱橫交錯(cuò)的裂隙中固結(jié)，形成具有較強(qiáng)初性及粘結(jié)性的聯(lián)合體，裂隙之間貫穿形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)骨架，增加巖體的韌性，使碎裂巖塊的強(qiáng)度大幅度增加，巖體的變形就會(huì)相應(yīng)的減小。

2）注漿時(shí)，較大的裂縫被漿液填充，有些封閉的或較小的裂隙雖然無法被填充，但是會(huì)被高壓漿液擠壓縮小甚至閉合，提高了圍巖和煤體的強(qiáng)度和彈性模量，并使得碎裂后的煤巖體內(nèi)摩擦角增大。。斷層凝固的漿液，把斷層面膠結(jié)為一個(gè)整體，這樣減輕了工作面過斷層時(shí)液壓支架上的應(yīng)力集中。

3）填充到破碎煤體內(nèi)的注漿材料，固結(jié)后增加了煤體的整體性，大幅度增加了煤的承載能力，減小了煤的可壓縮量，從而降低了頂板對(duì)液壓支架的壓力，減少了冒頂、片幫等事故，使工作面更安全可靠。

4 技術(shù)方案

4.1 材料的選擇

馬麗散是一種由樹脂加入催化劑混合而成的注漿加固材料，由于該混合材料具有較低的粘度，使其在注入巖體內(nèi)能迅速的擴(kuò)散到一定的范圍，然后固結(jié)，使煤體和巖體膠結(jié)，在短時(shí)間內(nèi)加固斷層。馬麗散同時(shí)還具備較好的滲透性，并且有非常好的機(jī)械性和膠結(jié)力，以及抗沖擊、抗老化、耐磨等特性。傳統(tǒng)的注漿材料通常依靠泵的壓力將漿液擠壓到裂隙和斷層內(nèi)，而馬麗散進(jìn)入裂隙后，體積大約可膨脹1.5到2倍，從而使其能夠節(jié)約成本，提高工作的效率。馬麗散無論是干燥還是潮濕的地方均可使用，因此選用其作為本工作面過斷層時(shí)注漿加固的材料。

4.2 方案設(shè)計(jì)

為了達(dá)到更好的注漿加固效果，設(shè)計(jì)將注漿過程分為兩個(gè)部分，首先是通過在工作面兩側(cè)的巷道內(nèi)側(cè)向斷層面注漿，二是當(dāng)采煤工作面推進(jìn)至距斷層二十米左右時(shí)，對(duì)工作面前方的煤體進(jìn)行注漿加固[5]。

4.2.1 巷道內(nèi)側(cè)鉆孔布置及相關(guān)參數(shù)

斷層的存在破壞了巖層和煤體的連續(xù)性，工作面推進(jìn)至斷層附近時(shí)，液壓支架可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此為了使工作面安全的通過斷層，當(dāng)工作面距斷層較遠(yuǎn)時(shí)，從巷道內(nèi)側(cè)鉆孔對(duì)斷層構(gòu)造面的進(jìn)行注漿加固。需要在斷層左右兩側(cè)分別布置五個(gè)鉆孔，如圖3。

圖3 注漿鉆孔布置圖

注漿孔布置方式：

1）注漿孔位置。根據(jù)馬蘭礦18506工作面巷道斷面的大小，在距頂板800mm處布置一排鉆孔，另一排布置在距地板1500mm處，空間距為2.5m，鉆孔方向傾斜向上，采用三花眼的布置方式。

2）注漿孔參數(shù)。注漿孔的傾角如圖5，孔深8m，孔徑為42mm。

3）打孔。打孔時(shí)要嚴(yán)格控制鉆孔的質(zhì)量，確保注漿空的角度和深度。

4）當(dāng)漿液距孔口1.5m左右時(shí)進(jìn)行封孔。

4.2.2 工作面鉆孔布置及相應(yīng)參數(shù)

由工作面向斷層內(nèi)注漿時(shí)，布置方式如圖4。

1）注漿孔位置。根據(jù)該礦的工作面布置情況，綜合考慮后決定在工作面機(jī)頭方向距斷層20m處煤壁上布置注漿孔。在距頂板800mm處布置一排鉆孔，另一排布置在距地板1500mm處，空間距為2.5m，鉆孔方向傾斜向上，采用三花眼的布置方式。

2）注漿孔參數(shù)。注漿孔的傾角如圖6，孔深8m，孔徑為42mm。

3）打孔。打孔時(shí)要嚴(yán)格控制鉆孔的質(zhì)量，確保注漿空的角度和深度。

4）當(dāng)漿液距孔口1.5m左右時(shí)進(jìn)行封孔。

圖4 工作面注漿孔布置

5 結(jié)論

1）馬蘭礦的18506采煤工作面區(qū)域內(nèi)發(fā)育的斷層具有特殊的地質(zhì)條件，不僅頂板破碎、落差大，而且影響范圍也較大。通過設(shè)計(jì)采用馬麗散注漿材料加固斷層，很好的控制了工作面頂板，減少了冒頂、液壓支架壓架等事故的發(fā)生，保證了采煤工作面安全正常的生產(chǎn)，減少了煤炭資源的損失，提高了煤炭的采出率。

2）從斷層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的角度出發(fā)，論證了采煤工作面過斷層時(shí)，上覆巖層失穩(wěn)的機(jī)理，為工作面過斷層加固方案的設(shè)計(jì)提供了理論支持。貼合著該工作面通過斷層時(shí)的具體特征，進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施了具體的注漿加固方案，為類似的工程實(shí)例的研究提供了參考。