綜放工作面過斷層破碎帶注漿加固技術(shù)應(yīng)用

張 健

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 晉城 048000）

煤礦采掘作業(yè)受斷層構(gòu)造影響極大。斷層在形成過程中，其附近巖層受斷裂錯動影響變得極為破碎，形成應(yīng)力集中區(qū)，且構(gòu)成導(dǎo)水通道，工作面回采至斷層附近時存在片幫、冒頂及突水的風(fēng)險，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。常規(guī)掘進(jìn)工作面距斷層60 m 前采取超前探測的措施，進(jìn)一步探明斷層的產(chǎn)狀及富水性；工作面回采過斷層時，采取短割短支、超前對兩巷及工作面頂板進(jìn)行加固、加強(qiáng)注水及封閉煤墻等措施直接通過斷層。但通過現(xiàn)場施工反饋，常規(guī)措施存在工序繁雜、安全隱患大等問題，而且極大影響工作面的生產(chǎn)效率[4-5]。伯方煤礦結(jié)合3209 工作面回采過斷層現(xiàn)場實際條件，采取預(yù)注漿固化頂板煤巖體的措施，充分發(fā)揮煤巖體自身的承載能力，以此提高工作面頂板的穩(wěn)定性，保證工作面回采期間安全順利過斷層，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

1 工程概況

伯方煤礦3209 工作面主采3#煤層，煤層賦存穩(wěn)定，煤厚5.3 m，煤層傾角2°～5°，平均傾角3°，工作面采用綜放放頂煤工藝。3209 回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中揭露F2 斷層，后經(jīng)打鉆探測，進(jìn)一步探明斷層的產(chǎn)狀：65°∠54°，落差 6.2 m，屬正斷層。3209 工作面現(xiàn)切巷位置距斷層185 m，工作面過斷層施工期間，易出現(xiàn)煤墻片幫、液壓支架架間漏煤及矸石等現(xiàn)象，甚至存在大面積冒頂?shù)娘L(fēng)險，極大增加工作面頂板管理的難度，直接影響工作面的正?；夭?。為保證工作面順利、安全通過F2 斷層，強(qiáng)化頂板管理工作，計劃對斷層及其附近范圍的煤體進(jìn)行注漿。通過采取注漿措施，使斷層及其附近范圍的煤體固結(jié)，提高煤體強(qiáng)度及承載力，杜絕出現(xiàn)煤墻片幫及架間漏煤，繼而防范冒頂事故的發(fā)生。工作面頂板注漿加固范圍示意圖如圖1。

圖1 3209 工作面頂板注漿加固范圍示意圖

2 注漿固化機(jī)理

斷層在形成過程中，上下盤在錯動時，附近的巖石受拉伸、擠壓及揉搓等影響，煤巖體的原生狀態(tài)受到破壞，變得極為破碎，強(qiáng)度明顯降低。對煤巖體注漿時，漿液在高壓作用下，首先壓稀漿充分填充裂隙，之后壓稠漿填實裂隙。破碎的煤巖體在漿液的作用下重新膠結(jié)形成一體，煤巖體完整性提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)，并形成一定的承載力及強(qiáng)度，達(dá)到固化煤巖體的效果，確保工作面在過斷層回采期間不出現(xiàn)煤墻嚴(yán)重片幫或冒頂事故。

3 注漿固化方案

3.1 注漿材料

此次注漿材料選擇一種新型高水注漿材料，該材料由中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)，具有以下特點：（1）滲入能力強(qiáng)；（2）水灰比高；（3）成本低；（4）凝固時間短且可調(diào)節(jié)，一般為18 min；（5）固結(jié)效果好；（6）適用于工作面煤巖體大范圍注漿。

3.2 注漿加固技術(shù)方案

3.2.1 施工技術(shù)思路

（1）工作面兩巷預(yù)注漿。劃定斷層影響區(qū)域，在工作面兩巷超前切眼一定距離對斷層影響區(qū)域煤體采取注漿加固措施，通過鉆孔向煤體中注入漿液固化煤體。

（2）工作面煤墻預(yù)注漿。當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層影響區(qū)域時，若煤巖體仍破碎，煤墻及頂板支護(hù)困難時，則直接在切眼煤墻施工注漿孔對回采前方煤體進(jìn)行加固。

3.2.2 注漿孔設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)場實際條件，制定科學(xué)合理的注漿孔設(shè)計方案，堅持優(yōu)化工程量、降低鉆孔施工難度及提高注漿效果等原則。3209 工作面傾向長度125 m，F(xiàn)2 斷層沿工作面切巷方向發(fā)育，影響區(qū)域貫穿整個切巷，現(xiàn)需對該區(qū)域采取注漿加固措施。注漿鉆孔設(shè)計長度為30～60 m，為保證鉆孔成孔質(zhì)量，選用履帶式全液壓鉆機(jī)進(jìn)行施工。結(jié)合工作面現(xiàn)場實際條件，提出以下4 種差異化設(shè)計方案，通過對比分析確定最優(yōu)的注漿孔布置形式。

（1）一字型平行布置設(shè)計。注漿孔垂直于巷幫布置，與巷道走向水平方向呈平行布置形式。注漿孔布置示意圖如圖2。

圖2 一字型平行布置示意圖

該方案優(yōu)點為注漿鉆孔布置均勻，注漿時較常規(guī)上下布置方式不易出現(xiàn)注漿孔竄漿現(xiàn)象。其缺點為注漿控制區(qū)域小，另需頻繁挪移、穩(wěn)固鉆機(jī)，造成職工勞動強(qiáng)度增加、工效低，安全風(fēng)險大。

（2）豎直扇形布置設(shè)計。注漿鉆孔垂直于巷幫布置，按一定的間排距進(jìn)行設(shè)計，每排設(shè)計上、中、下3 個鉆孔，鉆孔傾角不同，呈扇形布置形式。注漿孔布置示意圖如圖3。

圖3 豎直扇形布置示意圖

該方案優(yōu)點為注漿孔控制區(qū)域大，有效減少空白帶，且不需要頻繁挪移、穩(wěn)固鉆機(jī)，相對提高鉆機(jī)的施工效率。其缺點為每排布置3 個注漿孔，對開孔處煤體擾動較大，易出現(xiàn)煤體片幫，影響巷道整體支護(hù)強(qiáng)度，同時易出現(xiàn)鉆孔竄漿。

（3）水平扇形布置設(shè)計。每組共計3 個注漿孔，沿同一水平方向設(shè)計，注漿孔在水平與豎直方向均呈扇形布置。注漿孔布置示意圖如圖4。

圖4 水平扇形布置示意圖

該方案優(yōu)點為每施工完一組鉆孔后挪移一次鉆機(jī)，且對開孔處煤體擾動小。其缺點為每組兩側(cè)的兩個鉆孔因與巷幫呈一定的夾角，鉆孔深度及工程量增加。

（4）混合布置設(shè)計。結(jié)合以上3 種設(shè)計方案的優(yōu)缺點，最終確定采取注漿鉆孔混合布置的方案?；旌喜贾檬疽鈭D如圖5，①號、②號鉆孔呈豎直扇形設(shè)計， ②號、③號鉆孔呈水平扇形設(shè)計。

圖5 混合布置示意圖

方案4 同時集中前3 種方案的優(yōu)點，不僅優(yōu)化鉆孔工程量，而且有效減少注漿空白帶，同時減少挪移及穩(wěn)固鉆機(jī)次數(shù)，降低施工的安全風(fēng)險及職工的勞動強(qiáng)度，另通過合理布置鉆孔，杜絕了竄漿現(xiàn)象。綜上分析，最終確定注漿鉆孔采用混合布置的方案，滿足注漿效果要求。

3.3 施工方案設(shè)計

3.3.1 巷道注漿加固

在3209 工作面上下順槽對斷層影響區(qū)域進(jìn)行注漿加固。沿巷道走向方向，每間隔4 m 施工兩組鉆孔，兩組鉆孔間距2 m，每組共計3 個鉆孔，采用混合布置方式。

（1）鉆孔設(shè)計參數(shù)。根據(jù)斷層影響區(qū)域煤厚、煤層傾角等基礎(chǔ)資料，依據(jù)合理的注漿擴(kuò)散半徑，通過計算確定注漿孔深度及傾角。每組鉆孔開孔位置均為巷幫距頂1.2 m 處，①號、②號及③號注漿孔間距均為0.4 m，其中①號注漿孔設(shè)計水平深度4 m，②號注漿孔24 m，③號注漿孔20 m；間隔2 m施工下一組注漿孔，開孔位置及間距與上一組均相同，其中①號注漿孔設(shè)計水平深度12 m，②號注漿孔32 m，③號注漿孔28 m。注漿孔布置示意圖如圖6。

圖6 注漿孔布置示意圖（m）

（2）注漿材料。鉆頭采用Ф72 mm 合金鋼鉆頭；注漿管采用Ф25 mm 無縫鋼管加工，長度2.4 m，注漿管一端提前車絲，長度為100 mm，用于連接管子及安裝孔口球閥；排氣管采用12 mmPVC 管，長度2.4 m，封孔采用Ф45 mmPE 管，管子長度7 m，封孔長度5 m。

（3）注漿液配合及注漿壓力。水灰比 1.5:1，注漿壓力3～5 MPa。

3.3.2 工作面注漿加固

工作面推進(jìn)至斷層影響區(qū)域時，局部若出現(xiàn)煤體固化效果差、易發(fā)生煤體片幫及頂煤冒落時，采取在工作面切巷二次注漿加固措施。注漿孔沿工作面切巷布置，設(shè)計間距為1500 mm，距頂200 mm，傾角+45°，孔深以控制液壓支架頂梁上方大于4 m 范圍為準(zhǔn)。注漿管采用Ф25 mm 無縫鋼管加工，長度2.4 m，封孔深度1 m，注漿壓力2～3 MPa。注漿孔布置圖如圖7。

圖7 注漿孔布置圖（mm）

3.4 頂板管理措施

（1）采煤機(jī)割煤后及時伸出伸縮梁進(jìn)行臨時支護(hù)，若頂板較破碎時，必須采取帶壓移架措施，減少頂板空頂時間。

（2）帶壓移架時，保持支架頂梁距頂不大于100 mm，杜絕出現(xiàn)大面積懸頂。升架時，油缸必須穩(wěn)定供液4～6 s，保證支架初撐力不低于設(shè)計值的90%。

（3）嚴(yán)格控制采高。采高控制為2500 mm，防止煤墻出現(xiàn)片幫及冒頂。

（4）強(qiáng)化工程質(zhì)量管控，確保支架平直度達(dá)到作業(yè)規(guī)程要求，杜絕出現(xiàn)跳臺現(xiàn)象。

（5）嚴(yán)格執(zhí)行正規(guī)循環(huán)作業(yè)，提高工作面推進(jìn)度。

3.5 實施效果

伯方煤礦根據(jù)注漿加固方案對3209 工作面受F2 斷層影響區(qū)域進(jìn)行注漿加固，通過采取鉆孔窺視儀觀測及回采實揭情況，總結(jié)注漿效果如下：

（1）利用鉆孔窺視儀對鉆孔孔壁煤體膠結(jié)、完整程度進(jìn)行觀測，煤巖體中裂隙被漿液填實，重新膠結(jié)形成一體，孔壁完整，注漿效果明顯。

（2）隨工作面推進(jìn)至斷層影響區(qū)域，現(xiàn)場實揭煤體固化效果較好，煤體完整且具有一定強(qiáng)度，工作面煤墻未發(fā)生片幫，頂煤未發(fā)生冒落，工作面順利完成過斷層施工。

4 結(jié)論

（1）伯方煤礦針對3209 工作面過F2 斷層施工現(xiàn)場實際條件，提出一字型平行、豎直扇形、水平扇形及混合布置四種注漿孔設(shè)計。通過對四種方案進(jìn)行對比分析，最終確定在工作面上、下順槽采用混合布置的方案施工注漿鉆孔。該方案有效減少注漿空白帶，進(jìn)一步優(yōu)化鉆孔工程量，提高現(xiàn)場施工的安全系數(shù)，降低職工的勞動強(qiáng)度。

（2）通過在工作面上、下順槽超前對工作面斷層影響區(qū)域進(jìn)行注漿加固，同時在工作面回采至斷層影響區(qū)域時對煤墻進(jìn)行二次注漿加固，煤巖體中裂隙被漿液填實，趨于完整且具有一定強(qiáng)度，工作面回采過斷層期間，未發(fā)生煤墻片幫及頂煤冒落現(xiàn)象，順利完成過斷層施工。