深孔注漿技術在斷層注漿加固中的應用

成 鑫

（潞安集團慈林山煤業公司夏店煤礦，山西 長治 046000）

斷層是井工開采煤礦最常見的地質構造之一。對于礦井常見的中小型斷層而言，其不良影響有限，但又不能忽視[1-4]，需要對斷層及其影響帶進行改造。如果確定斷層不導水、不含水，則需要對其破碎區域進行注漿加固，防止在回采過程中發生片幫、冒頂事故。

1 工程概述

夏店煤礦1301 工作面位于13 采區，主采3#煤層，為走向長壁工作面，采用綜合機械化放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。工作面走向長886 m，傾向長220 m，煤層厚度0～6.3 m，平均5.5 m，煤層傾角2～5°，平均3°。工作面布置三條巷道，分別是上巷（回風巷）、下巷（膠帶運輸巷）和輔助運輸巷。

工作面下巷在掘進過程中揭露DF35斜交斷層，位于切眼向外630 m 處。斷層落差0～5.5 m，傾角75°，工作面內延伸長度約220 m。落差超過5 m，局部可將煤層全部斷開，工作面上巷未揭露該斷層，推測在工作面內部尖滅。由于該斷層落差大，揭露區域頂板巖層破碎且影響范圍廣，因此，預測在回采通過該斷層破碎帶時極易發生片幫、冒頂事故，威脅工作面安全高效生產。

2 斷層探查孔設計與施工

為了準確掌握斷層在工作面的具體展布情況，為調整綜采支架傾角和注漿鉆孔設計提供依據，在工作面下巷施工探查鉆孔。共設計探查鉆孔4 個，分別為1#、2#、3#、4#鉆孔，鉆孔位置分別位于切眼后退470 m、520 m、570 m 和620 m。根據鉆孔揭露情況，又補充設計鉆孔補2#孔對DF35 斷層進行加密探查。根據鉆孔探查資料，繪制工作面斷層展布平面圖如圖1 所示。

由于斷層落差較大，受其影響，煤層在斷層兩側局部完全斷開。工作面在回采過程中，綜采支架將由斷層上盤進入斷層下盤，會切割煤層頂底板，部分依次發生傾角變化并長期處于半煤巖（全巖）狀態。為了明確注漿范圍，保證機采區域得到有效加固，必須根據斷層剖面圖設計工作面支架上抬次序和角度，為注漿提供明確靶區。在回采過程中支架上抬幅度要大，以減少支架在斷層影響區域穿過的距離。

圖1 DF35 斷層探查工程示意圖

3 注漿鉆孔設計與施工

注漿鉆孔設計原則：根據斷層探查情況，按照最短路徑原則分別在上、下巷設計注漿鉆孔，切眼向外450～500 m 處在上巷內幫開孔，切眼向外500～620 m 處在下巷內幫開孔。上下巷注漿鉆孔均設計為兩排，相鄰上、下鉆孔錯開5 m。其中下排孔距底1 m，終孔位置設計在機采范圍內，并穿過斷層下盤煤體10 m 以上；上排孔設計距底2 m，深度至少穿過斷層面10 m，終孔位置設計在機采范圍頂部1 m 內。

以2#探查鉆孔附近的注漿孔為例分析注漿方案，具體工作面機采范圍和注漿鉆孔設計如圖2 所示。

圖2 機采范圍及注漿設計示意圖

鉆孔設計：斷層注漿范圍為切眼后退450～620 m，合計170 m 長度。上、下排鉆孔間隔分布，孔間距5 m，共設計鉆孔37 個，孔深55～130 m。上下巷鉆孔設計相同。剖面圖如圖3 所示。

4 深孔注漿材料選擇和注漿參數

4.1 深孔注漿特征分析

（1）注漿鉆孔深度較大

鉆孔深度越大，漿液在孔內流動的時間就越長，則對漿液的流動性要求越高，同時需要具備較好的懸浮性，避免漿液沉淀。

（2）深孔注漿裂隙發育一般

深孔注漿區域遠離松動圈，超前注漿時受采動影響較小，裂隙在應力作用下通常呈封閉狀態，開度較小，裂隙連通性差。所以要求注漿材料顆粒要細，以便滲入微小裂隙中，同時可利用高壓注漿打開裂隙，增加注漿量。

（3）注漿工期短

注漿工程要在距離切眼一定距離內進行，因此在快速回采情況下注漿材料需具備快速凝結固化、快速硬化特性，提前達到預固結效果。

4.2 注漿材料選擇

根據深孔注漿特征，本次注漿選取超細水泥注漿材料，細度可達1250 目，混合水灰比為0.6:1。材料為單漿液材料，加水混合后，30 min 時間內具備較好的流動性，2～3 h 后失去流動性，約10 h 后完全固化，之后強度迅速增加。1 d 后抗壓強度達到16 MPa，3 d 后抗壓強度達到26 MPa，7 d 后抗壓強度達到32 MPa。

4.3 注漿參數確定

注漿時間確定：超前切眼50 m 范圍內，煤體及圍巖受到采動影響，裂隙發育程度較高，連通性較好，吸漿量大。但在超前切眼20 m 范圍內進行高壓注漿易跑漿，且施工工期緊張，因此確定切眼超前20～50 m 范圍內為最佳注漿區域。注漿工程隨著工作面回采進度逐步開展。

注漿壓力選擇：注漿壓力要足以擴展注漿范圍內的裂隙，通過理論分析和現場試驗，確定注漿壓力為25～30 MPa。

圖3 注漿鉆孔設計剖面圖

5 工程量及注漿效果

5.1 工程量

本次斷層深孔注漿改造工程共施工鉆孔37 個，實際進尺3700 m，共消耗注漿材料135.5 t，單孔注漿量達3.7 t，單孔最大注漿量達10.2 t。

5.2 注漿效果

在正常情況下工作面每天可推進3 m，工作面回采進入斷層影響范圍后，在注漿區前50 m范圍內，工作面煤墻局部成型差，共發生片幫、冒頂4 次，片冒范圍較大，大大延緩了工作面推進進度，工作面平均每天回采不足1 m。進入注漿加固區域后，工作面片幫、冒頂情況大大減輕，最大片幫深度不足0.5 m，長度不超5 m，對回采影響較小，工作面平均每日可回采2.5 m 左右。注漿效果如圖4 所示。

圖4 注漿加固范圍煤墻效果圖

6 結論

（1）通過探查鉆孔對斷層展布情況進行精確探查，并進行機采范圍預測，為注漿鉆孔設計提供依據。

（2）深孔注漿選用超細、流動性懸浮性好的注漿材料，同時具備快速凝結和高強度特性。

（3）超前切眼20～50 m 范圍內即受到采動影響裂隙較發育，吸漿量大，注漿效果好，同時也可避免工期緊張和工作面切眼漏漿情況的發生。

（4）回采驗證表明，利用超細單漿液水泥注漿材料進行斷層深孔注漿加固技術對斷層破碎帶的治理效果較好，大大提高了回采效率，并最大限度地保證了回采安全，具有較高的經濟效益和安全效益。