采煤工作面過(guò)斷層超前治理技術(shù)研究

任芯瑤

（山西汾西正旺煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 孝義 032300）

隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度以及開(kāi)采范圍等不斷增加，煤炭賦存地質(zhì)條件更趨復(fù)雜，開(kāi)采過(guò)程中揭露的斷層、褶曲以及陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造更為頻繁[1-2]。斷層是煤炭開(kāi)采時(shí)最為常見(jiàn)構(gòu)造類型，斷層發(fā)育范圍內(nèi)地層連續(xù)性以及賦存穩(wěn)定性等遭到破壞，構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育，采煤工作面推進(jìn)至斷層影響范圍內(nèi)容易出現(xiàn)冒頂、片幫以及瓦斯異常涌出等不良情況，給煤炭生產(chǎn)安全帶來(lái)制約[3-5]。山西某礦開(kāi)采范圍內(nèi)煤層賦存條件復(fù)雜，現(xiàn)階段開(kāi)采深度已達(dá)到500 m，在開(kāi)采范圍內(nèi)發(fā)育的斷層會(huì)給采面生產(chǎn)帶來(lái)制約。為此，文中就以31105 采煤工作面過(guò)斷層為例，對(duì)采區(qū)的斷層超前防治技術(shù)展開(kāi)研究。

1 工程概況

山西某礦31105 采煤工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)、傾向長(zhǎng)分別為1 560 m、242 m，開(kāi)采的11 號(hào)煤層埋深平均500 m，煤厚3.5～6.2 m（均值4.7 m）、傾角5°～13°（均值10°），11 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性以粉質(zhì)細(xì)砂巖以及砂質(zhì)泥巖、泥巖為主。

根據(jù)巷道揭露及已有物探（CT 探測(cè)）資料顯示，在采面開(kāi)采范圍內(nèi)發(fā)育有6 條斷層，其中對(duì)采面生產(chǎn)影響較為突出的斷層包括有F16、F28 以及F29 斷層。為確保采面安全高效通過(guò)斷層影響區(qū)，提出采用超前注漿方式對(duì)斷層進(jìn)行處理，從而提高斷層帶內(nèi)巖體穩(wěn)定性。

2 超前注漿加固處理技術(shù)方案

2.1 注漿加固材料

采煤工作面過(guò)斷層時(shí)采取超前注漿可提高巖體穩(wěn)定性，斷層注漿加固效果與注漿材料選擇有密切關(guān)聯(lián)。為提高斷層破碎帶巖體穩(wěn)定性，選擇使用的注漿加固材料應(yīng)能滿足下述要求：

1）注漿材料應(yīng)具備有較強(qiáng)的流動(dòng)性且膠結(jié)時(shí)間應(yīng)可依據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從而提高注漿漿液擴(kuò)散范圍以及注漿加固距離。

2）注漿漿液與斷層帶內(nèi)破碎巖有較強(qiáng)的粘結(jié)性及膠結(jié)性，同時(shí)膠結(jié)后的巖體抗壓以及殘余強(qiáng)度等較高。

3）注漿加固材料應(yīng)具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)以及阻燃等特點(diǎn)[6-8]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿需求，在對(duì)采面回采揭露的斷層進(jìn)行超前處理時(shí)選擇采用新型無(wú)機(jī)復(fù)合材料。采用的新型無(wú)機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)后24 h、7 d 以及28 d 時(shí)材料抗壓強(qiáng)度可達(dá)到25 MPa、42 MPa 以及56 MPa，與斷層破碎帶內(nèi)破碎煤巖膠結(jié)40 h 后膠結(jié)體強(qiáng)度可增至20 MPa。具體注漿材料性能曲線見(jiàn)圖1 所示。

采用的新型無(wú)機(jī)注漿材料具有較高的殘余強(qiáng)度，同時(shí)在注漿材料內(nèi)加入的纖維可提高破碎煤巖體膠結(jié)穩(wěn)定性并提升殘余強(qiáng)度。

選用的注漿漿液粒度小、流動(dòng)性好，在裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)注漿時(shí)漿液有效擴(kuò)散半徑可達(dá)到10 m 以上；注漿材料具有的可注性好，材料凝結(jié)時(shí)間可控制，初凝、終凝時(shí)間分別為5.5 h、8.0 h，注漿材料初凝時(shí)間長(zhǎng)，可滿足長(zhǎng)距離、大流量以及長(zhǎng)時(shí)間注漿需求；材料析水率0、水灰比低，可降低水對(duì)圍巖強(qiáng)度影響。

2.2 注漿加固方案

采面揭露斷層超前處理采用帷幕注漿方式，帷幕注漿鉆用2ZBQ-11/15 注漿泵，注漿壓力2～3 MPa；鉆場(chǎng)內(nèi)注漿孔用ZBY1.5/32-22 注漿泵，注漿壓力15～20 MPa，注漿孔孔徑94 mm?，F(xiàn)場(chǎng)注漿時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、注漿需要，調(diào)整注漿參數(shù)，同時(shí)每臺(tái)注漿泵配2 個(gè)攪拌桶，避免注漿中斷。

在采面軌道巷、運(yùn)輸巷合適位置布置鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)按照扇形布置鉆孔，其中軌道巷、運(yùn)輸巷鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔數(shù)量分別為9 個(gè)、8 個(gè)。鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔在距離鉆場(chǎng)頂板下方2.0 m 位置開(kāi)孔，鉆孔開(kāi)孔間隔均為1.0 m。

2.3 鉆孔封孔

注漿孔封孔質(zhì)量與注漿效果有密切關(guān)聯(lián)，為此采用“兩堵一注”封孔方式，封孔長(zhǎng)度可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，建議封孔長(zhǎng)度控制在10 m 以上。待注漿鉆孔施工完畢后及時(shí)進(jìn)行鉆孔封孔，具體鉆孔封孔見(jiàn)圖2所示。

圖2 鉆孔封孔結(jié)構(gòu)示意圖

封孔時(shí)先向鉆孔內(nèi)下方注漿鋼管（DN25），里側(cè)花管、外側(cè)實(shí)管，通過(guò)壓注特效水泥方式進(jìn)行封孔。注漿孔孔徑d1=113 mm，封孔采用的注漿鋼管外徑d2=33.5 mm，封孔長(zhǎng)度l=10 m，封孔使用的囊袋間注漿壓力在P1=1.5 MPa 以上，注漿鉆孔最大注漿壓力P2=20 MPa，封孔摩擦系數(shù)μ=0.2～0.3。采用的封孔方式提供的摩擦力f 可通過(guò)下述公式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算得f=1 065 kN。

注漿時(shí)給封孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反推力F 可通過(guò)下述公式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算得F=137 kN。

封孔安全系數(shù)K=f/F=7.8，安全系數(shù)可滿足長(zhǎng)距離注漿需求。

3 現(xiàn)場(chǎng)注漿效果分析

在31105 采煤工作面過(guò)斷層前在回采巷道內(nèi)布置長(zhǎng)距離鉆孔對(duì)斷層影響范圍內(nèi)進(jìn)行超前助理，可提高采面過(guò)斷層安全保障能力。具體超前注漿加固后采面揭露斷層破碎帶煤巖體加固情況見(jiàn)圖3 所示。通過(guò)對(duì)斷層進(jìn)行超前處理，采面在回采期間可保持4.8 m/d推進(jìn)速度，耗時(shí)23 d 即可通過(guò)斷層影響區(qū)，期間未出現(xiàn)頂板冒落、煤壁片剛等不良情況，效果顯著。

圖3 斷層破碎帶煤巖體加固情況

4 結(jié)論

1）采煤工作面回采過(guò)斷層時(shí)面臨推進(jìn)速度緩慢、頂板冒落以及煤壁片幫等多重問(wèn)題影響，給礦井回采安全帶來(lái)一定制約。通過(guò)對(duì)斷層進(jìn)行超前治理，可為采面高效過(guò)斷層創(chuàng)造良好條件。為此，提出在31105采煤工作面回采巷道內(nèi)向斷層影響范圍內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)距離注漿加固，注漿加固不會(huì)給采面正?；夭蓭?lái)影響。

2）依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理確定注漿加固材料并設(shè)計(jì)注漿加固方案。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，31105 采煤工作面過(guò)斷層期間未出現(xiàn)冒頂、片幫等不利情況，同時(shí)采面回采速度仍可保持4.8 m/d。