3302綜放工作面過構造帶注漿加固技術應用

暴 斌

（山西蘭花科創公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

井工開采條件下，工作面推進過程中經常會遇到陷落柱、斷層等構造帶，受復雜地質影響，煤巖體出現破碎程度低、整體強度低等情況，加上近年來采礦技術不斷發展，工作面采高呈逐漸加大趨勢，致使工作面及巷道圍巖應力集中更為明顯，在采動影響下，煤巖體強度降低、變形破碎。破碎的頂煤或圍巖裂隙貫通，發生松動失穩變形[1]，容易出現垮落、漏冒等情況，導致巷道支護困難，工作面推進時頂板管理難度大，嚴重時導致重大災害事故發生，必須加以控制。

通過超前注漿加固技術的應用，原有裂隙被有效填充，破碎的巖塊被膠結到一起，頂煤及圍巖體強度增大，整體性得以提高，圍巖自身的承載能力得到進一步發揮[2]，變被動支護為主動支護，能夠改善構造帶附近的應力分布，減少應力集中造成的壓裂效應[3-10]。在實踐中，采用原有瓦斯抽采孔補鉆加深作為注漿孔使用的方式，減少了鉆孔施工量。實踐結果表明，回采過程中頂煤整體性明顯變好，破碎巖塊膠結成體，垮落減少，鉆孔窺視可見巖體內部平滑完整，注漿加固技術的應用達到了預期目標，為同類型工作面過構造帶的支護及頂板控制提供了參考方案。

1 工程概況

伯方煤礦位于山西省晉城市高平市寺莊鎮，年產能210萬t，礦井采用斜井開拓，綜放工藝，屬高瓦斯礦井。

3302綜放工作面是三盤區首采工作面，對應地面標高＋950～ +1045 m，煤層標高＋554～ +683 m。工作面走向長1710 m，傾斜長195 m，西鄰礦界，北、東、南三向與村莊相鄰，四周均無采空區。工作面平均煤厚5.3 m，煤層傾角5°～12°，賦存穩定，結構簡單，中部夾矸約厚0.04 m，層理、節理為中等發育，煤層普氏系數f=2～3。煤層頂底板巖性描述詳見表1 。

表1 煤層頂底板情況表

3302工作面地質條件復雜，區域內有X01～X05等橢圓狀陷落柱5個，分別位于走向長度478 m、900 m、1045 m、1065 m、1576 m處，除X03外均在工作面煤柱內。工作面走向長度520～640 m范圍內有一處落差達1.5～2 m的正斷層。通過電子鉆孔窺鏡可見，以上構造帶附近，煤巖體整體性差、較為破碎，頂板管理難度大。構造帶區域結構形態如圖1。

圖1 構造帶區域結構形態窺視圖

2 注漿加固技術原理

2.1 理論基礎

理論上主要有三種方式。一是高壓滲透作用，在注漿泵的壓力作用下，漿液滲入破碎的裂隙內部，既發揮填充裂隙作用，漿液凝結后將巖塊膠結到一起，也發揮了膠結作用；二是壓密實作用，在持續高壓作用下，大的裂隙被填充，小的裂隙被擠壓緊實；三是劈裂作用，當注漿壓力持續增大，裂隙被填充后繼續膨脹，直至劈裂，對于放頂煤來講，起到了預裂的作用，提高煤炭放出比例。以上三種方式，均是在高壓注漿作用下，經注漿孔進入構造帶逐步實現。

2.2 加固原理

上述三種理論作用的結果，一方面改善了圍巖整體性，極大地提升了圍巖的自身支承能力；另一方面，發揮了填充裂隙的作用，孔隙率的降低，使得巖體的強度有效增大；第三個方面，縱橫交錯的裂隙被漿液替換后，凝固后的漿液也形成了一個網絡化的骨架，迫使應力重新分布，有效分散了集中應力。在以上三種作用下，頂煤及圍巖更加穩定，避免了頂板破碎導致的漏冒、垮落，同時也不影響回采過程頂煤的放出。

3 實踐應用

3.1 注漿材料

目前常用的注漿材料有三種，分別為水泥黏土漿等惰性材料、水泥水玻璃等無機化學材料以及聚氨酯等有機化學材料，其中以前兩者最為常見。考慮成本以及3302工作面構造帶較為復雜，注漿范圍較大，選用水泥水玻璃雙液為本次實踐的注漿材料。

3.2 注漿參數

（1）注漿壓力。合適的注漿壓力對注漿效果影響極大，該參數的確定需要參考埋深因素。根據經驗，單孔注漿壓力可以參考式（1）計算得出：

P=（2.5～2）H×r/100 （1）

式中：P是單孔的最大注漿壓力，MPa；H代表煤層埋深，m；r是水的密度，取1。據此，3302工作面注漿壓力約為4 MPa，上限為5 MPa。

（2）漿液配比。水泥漿與水玻璃漿液按照1:0.1～1:0.6的比例進行混合使用。

3.3 注漿站布置

根據工作面地質資料，斷層位于工作面走向長度520～640 m范圍內，在560 m、600 m位置分別在3302運輸順槽、3302回風順槽各布置1個注漿站，布置扇形分布鉆孔2組，構成1#、2#注漿通道。每個注漿通道內布置1組2排5個鉆孔，根據斷層走向，設置鉆孔參數。同時，為了減少鉆孔施工量，可利用工作面原有的瓦斯抽采系統，通過補鉆加深鉆孔深度，形成注漿孔。注漿站及注漿通道布置示意如圖2，注漿站內鉆孔布置如圖3。

圖2 注漿站及注漿通道布置示意圖

3.4 成效檢驗

（1）現場勘查。工作面回采過程中，對頂煤完整程度及漏冒、垮落情況進行了現場勘查。可見，工作面支架煤壁附近漏冒發生較少，頂煤完整度較好，支架后方放出煤塊可見泥漿膠結，說明注漿加固發揮了膠結作用。

（2）鉆孔檢測。為了確保前后對比變量一致，選取距巷道幫部30 m深位置進行鉆孔窺視，結果可見，煤巖體內部裂隙填充完好，整體性較好。

4 結語

（1）注漿加固技術可通過高壓滲透、壓密實、劈裂三種作用，降低圍巖孔隙率，改善圍巖整體性，構成網絡化骨架，以提高煤巖體的穩定性和整體性，提升其自身支承能力。

（2）通過式（1）來得出注漿壓力的范圍，避免盲目設定過大注漿壓力，造成劈裂或壓力不夠達不到預期效果。

（3）現場勘查可見，工作面支架煤壁附近漏冒發生較少，頂煤完整度較好，支架后方放出煤塊可見泥漿膠結，說明注漿加固發揮了膠結作用。鉆孔檢測可見，煤巖體內部裂隙填充完好，整體性較好。成果表明，在綜放工作面構造帶采用注漿加固，能夠有效解決煤巖體破碎、完整度差的問題。