回坡底煤礦10-113綜采工作面過斷層注漿技術應用研究

秦 潞

（霍州煤電集團汾河焦煤股份有限公司回破底礦，山西 洪洞 041600）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團回坡底煤礦10-113綜采工作面，位于磊上村以北，東溝前河村莊西南，地表無小煤窯、塔架線路等構筑物，區域地形最高點（+916m）位于前河村莊南部420m處（井下對應10-1131巷運輸聯巷），最低點（+817m）位于柴家垣村莊東南部650m處（井下對應10-1131巷700m處）。根據10-1131、10-1132巷掘進時所遇的地質情況，可以斷定10-113綜采工作面在回采時，會揭露斷層9條，陷落柱1條，其中F120斷層會對回采造成較大的影響，該斷層為貫穿工作面的正斷層，位置在7#點前6m，傾向為131°，傾角為57°，斷距為3.1m。工作面采用綜合機械化一次采全高全部垮落采煤法，最大采高為6.3m。

2 斷層圍巖破壞分析

2.1 工作面圍巖的相似模擬

根據從現場取樣試驗與相關地質資料，來對本次試驗中巖層進行相似材料的選擇及配比，試驗采用平面應變模型，模型尺寸設計為：長為4300mm，寬為180mm，高為2700mm，主要材料選擇沙子，同時添加石灰、石膏與緩凝劑來達到與原巖相同物理參數的相似材料。在進行試驗前，需進行多次試驗，來驗證所配比的相似材料與原巖層的力學特性相似，以求達到最佳的配比。根據實際試驗場合及儀器尺寸，對各層材料選擇相應的厚度，并計算整個模擬材料的體積，并著手開始安裝試驗。

2.2 相似模擬結果分析

在整個模型完全干燥硬化后，開始對儀器設備進行調試并開始試驗，具體試驗結果如圖1所示：

圖1 相似模擬結果圖

如圖（a）所示，在模型穩定之后，在其一端留10cm的煤柱并在工作面處安裝一個支架，，此時距斷層72m，工作面整體穩定；如圖（b）所示，在距離斷層48m時，受上層裂縫影響下，頂板發生垮落，并且裂縫在逐漸擴大；如圖（c）所示，此時工作面距斷層48m，頂板垮落17.4m，增加了13m，此時相當于2.1個采高，而工作面頂板的垮落速度依舊在增大；如圖（d）所示，此時工作面回采至距斷層9.6m處，頂板垮落在此處達到最大值，達到34.1m，相當與5.18個采高，并且頂板垮落不在增加；如圖（e）所示，此時回采工作面達到斷層處，此時由于采空區內矸石與支架的支撐作用，不在發生冒頂現象，上層圍巖隨著裂縫發生輕微滑動，而上層巖層形成“砌體梁結構”，所以依舊保持維持穩定；如圖（f）所示，此時工作面已經過斷層12m，此時破裂區由于沒有支架的支撐作用，整體沿著裂縫開始下沉。

通過相似模擬實驗結果分析，由于工作面向斷層回采期間，受斷層的影響，頂板會發生垮落現象，而可能導致液壓支架的工作阻力升高，造成壓架的事故發生；同時伴隨著煤壁會大概率出現片幫的現象，會對正常回采工作造成影響，需要及時對工作面圍巖進行加固控制，以確保可以安全完成回采工作。

3 注漿技術應用及效果

3.1 頂板控制措施[2-3]

通過相關文獻與對現場實際調查取樣，并基于相關理論與經驗計算，決定對工作面巖層進行注漿作業，以達到對其加固的目的。根據相似模擬實驗的結果分析，工作面向斷層推進至距斷層48m時，液壓支架開始受到斷層的影響，工作阻力開始增大，且在距斷層10處，頂板發生最大垮落度，達到整個采高的5.1倍，此時支架壓力會迅速增大，而工作面通過斷層后，壓力迅速減小到比較低的范圍，因此斷層對工作面頂板的主要影響范圍在48m處，而根據理論計算與試驗驗證，決定在工作面距斷層前20m處實施超前注漿加固，直到斷層過斷層后15m位置。

3.2 注漿參數確定

對于現場的圍巖破壞研究和理論分析，經礦方決定10-113綜采工作面在遇斷層期間，圍巖受斷層影響較大，為防止回采期間發生冒頂或者煤壁發生片幫的現象，需進行超前注漿，同時在現場發現，在斷層附近，會出現少了冒水現象，因此注漿材料選取水泥混合水玻璃，來對工作面圍巖進行超前注漿。

1）注漿孔確定。為了是加固效果更好，以防止斷層附近破碎區的因回采影響而繼續發展，根據回采工作面圍巖裂頂板的破裂情況，經理論計算后，同時考慮圍巖加固效果與經濟效益，最高注漿孔深度選擇為6m；選擇布置兩排注漿孔，第一排距巷道底板2m處，第二排布置在距頂板1m處，每隔4m布置一個注漿孔，注漿孔布置如圖2所示，封孔時，根據注漿孔的實際情況，封孔器應該距注漿孔口1500mm；。

圖2 注漿鉆孔布置

2）單孔注漿量確定。單孔注漿量時決定注漿效果的主要因素之一，同時注漿的壓力、時間也會對注漿的實際效果造成影響。經過現場觀察與理論計算，為達到最優效果，既能最大程度上加固巷道圍巖，又能省工省料，決定單孔的注漿量為350kg為最佳，注漿時可以根據實際情況隨時調整。

3.3 注漿加固施工工藝[5]

圖3 注漿加固工藝與設備

3.4 注漿工藝流程

1）首先對注漿材料進行準備，本次注漿根據現場實地請考慮，決定采用水泥混合水玻璃的混合注漿，同時準備所需的壓力泵、注漿管等注漿所需基本設備。

2）將所準備設備與注漿管，注漿泵相連，監測連接設備是否有漏液的現象，壓力是否滿足工作需求。

3）開始注漿，注漿使用的瑪麗散樹脂與催化劑，分別使用兩根吸料管與注射泵相連，在工作時，這兩種注漿料會通過注射泵的作用下，進入到高壓膠管；高壓膠管一端連接注射槍，兩種噴漿了混合后，通過注漿管注入到注漿孔內，并在注漿泵的高壓作用下，滲透到巖層內的縫隙中，從而達到對圍巖層加固的作用。根據實地情況，可以靈活調整注漿情況。

4）停止注漿。在注漿達到預計要求或注漿量的擴散半徑達到預計位置后，即可停止注漿，并對注漿孔進行封孔。

5）換孔注漿，重復2～4的相關施工步驟。

6）清洗管路，在注漿完成后，需及時進行清洗管路，防止管內注漿孔凝固，注漿泵與管路堵塞。

7）注漿結束，對注漿工作面進行維護與觀測記錄，有任何問題及時匯報。

3.5 圍巖控制效果

為分析斷層對大采高工作面的影響并驗證在此處應用圍巖控制效果,對斷層影響區域范圍內注漿后，對頂板變形量進行為期兩周的監測，監測點主要布置在距斷層5m的1號斷面，距斷層10m的2號斷面，通過對斷面變形量來分析工作面遇斷層期間的礦壓顯現特征。

圖4 注漿后頂板變形量變化

有檢測站的實際檢測的圖可知，在對巷道圍巖進行注漿之后，隨著回采的的推進，工作面圍巖依舊保持穩定狀態。1號斷面頂板最大變形量19.5cm，之后逐漸趨于穩定；2號斷面頂板變形量在5-5前，變形顯著，之后逐漸趨于穩定，最大變形量在18cm。由現場觀察記錄得，在回采工作面過斷層時，并未發生冒頂現象，液壓支架工作正常，沒有發生壓架現象，說明工作面圍巖控制效果良好，工作面順利通過斷層。

4 結語

為了探究注漿對工作面過斷層的應用效果，本文以回坡底煤礦10-113綜采工作面過斷層為研究對象，通過相似模擬實驗，得到斷層對回采工作的影響范圍，經過理論計算與基于實際情況考慮，決定對工作面圍巖進行注漿作業，以確保回采作業可以安全進行；在按照安全規程完成注漿之后，并對注漿效果進行現場檢測，通過對注漿后的頂板變形量觀察，可以確定注漿對工作面安全通過斷層具有良好應用效果。