注漿加固技術(shù)在工作面過斷層中的應(yīng)用

宋小朝

（山西陽城陽泰集團(tuán)白溝煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

礦井生產(chǎn)過程中經(jīng)常會遇到斷層、褶皺、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，當(dāng)其具有一定規(guī)模時(shí)會對礦井正常生產(chǎn)帶來較大的影響[1-4]。斷層是其中最為常見的地質(zhì)構(gòu)造，對頂?shù)装鍘r層產(chǎn)生破壞，造成圍巖破碎、難以控制，易導(dǎo)致片幫、冒頂和支架壓死等事故，影響工作面正常生產(chǎn)，甚至引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此在回采過程中，對斷層進(jìn)行改造，解決圍巖異常失穩(wěn)問題就顯得非常重要。本文通過對白溝煤業(yè)地質(zhì)條件進(jìn)行分析，提出對斷層破碎帶進(jìn)行注漿加固和割頂留底的回采過斷層方案，有效解決過斷層期間圍巖難以控制問題。

1 工作面概況

白溝煤業(yè)3301 工作面為走向長壁工作面，采用綜采一次采全高生產(chǎn)工藝，直接垮落法管理頂板。工作面走向長1100 m，傾向長135 m，主采煤層3#煤，煤層較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層厚度2.71～7.49 m，平均5.8 m，煤層傾角3～12°，平均6°。煤層偽頂局部發(fā)育，為炭質(zhì)泥巖，厚度小于0.3 m；直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度3.5 m；基本頂為中細(xì)粒砂巖（大占砂巖），平均厚度12 m；直接底為泥巖、粉砂巖，厚度1.8 m；基本底為細(xì)砂巖，厚度5.5 m。

3301 工作面為一單斜構(gòu)造，西北高東南低，傾向約135°，坡度平緩。工作面構(gòu)造條件較簡單，掘進(jìn)期間共揭露落差大于1m 的斷層3 條，斷層參數(shù)見表1。其中F3 斷層在回采范圍內(nèi)發(fā)育長度約為136m，該斷層走向141°，與工作面走向近正交，因此工作面在回采過程中要直接快速通過，減少對生產(chǎn)的影響。本次以F3 斷層為例，對工作面快速過斷層技術(shù)工藝進(jìn)行研究。

表1 工作面斷層參數(shù)表

2 工作面回采過斷層技術(shù)

在工作面回采接近F3 斷層10 m 前首先完成調(diào)斜工作，即利用刮板最大彎折角，通過多次局部回采調(diào)整工作面斜度，使工作面上巷超前下巷約14 m，保證工作面與斷層平行，全斷面一次直接通過斷層，減少斷層對回采的影響時(shí)間。

調(diào)斜工作完成后，采用割頂留底的方法通過斷層。F3 斷層的最大落差3.6 m，未將煤層全部斷開，煤層頂板巖性為泥巖，在通過斷層時(shí)可以采用截割上盤煤層頂板巖石留底煤的方法，能夠保證回采過程中頂板一直為泥巖，可以較好地對頂板進(jìn)行控制。F3 斷層為正斷層，貫穿整個(gè)工作面，走向141°，傾角71°，落差3.6 m，起坡角定為7°。回采過斷層剖面圖見圖1。

圖1 回采過斷層剖面示意圖

經(jīng)計(jì)算可得L1=26.2 m，L2=24 m。因此綜采液壓支架的起坡位置為底板斷煤交線前約24 m 處，即工作面回采191 m 后開始起坡（工作面調(diào)斜后）。

3 斷層注漿加固方案

3.1 斷層注漿加固機(jī)理

工作面在回采過程中內(nèi)側(cè)煤巖會受到超前動壓的影響，改變了一定區(qū)域范圍內(nèi)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。斷層附近本身煤層及頂?shù)装迤扑椋瑢儆趹?yīng)力集中區(qū)和薄弱帶，因此應(yīng)力極易傳導(dǎo)至該區(qū)域，加劇頂?shù)装寮懊簩拥钠扑榍闆r。通過對斷層破碎帶進(jìn)行注漿加固，使?jié){液進(jìn)入破碎巖體的裂隙中，將破碎煤巖體重新膠結(jié)，可以大大提高煤巖體的支撐強(qiáng)度。注漿改造改變區(qū)域內(nèi)巖石力學(xué)性質(zhì)，使其膠結(jié)為一整體，裂隙中的漿液凝固后形成了網(wǎng)狀骨架式結(jié)構(gòu)，增加了破碎巖石的粘聚力，加強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性和支撐能力，可以保證工作面正常回采通過。

3.2 注漿材料選擇及配比

本次對斷層的注漿改造選用馬麗散為注漿材料。該材料具有良好的滲透性和膠結(jié)性，凝固后強(qiáng)度較高。馬麗散是由催化劑和樹脂按照1:1 的配比混合而成，混合后漿液粘稠度降低，可以在破碎巖石裂隙中快速滲透并膠結(jié)，在短時(shí)間內(nèi)對煤體進(jìn)行加固，有效提高破碎圍巖的支撐強(qiáng)度。

3.3 注漿鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

本次斷層改造采用局部注漿方案，即通過對3301 工作面煤層和頂板情況進(jìn)行觀察，在片幫嚴(yán)重以及頂板破碎區(qū)域進(jìn)行注漿。鉆孔布置圖見圖2。3301 工作面的日回采進(jìn)度為3 m/d，為了確保工作面高效回采，同時(shí)保證馬麗散有足夠的凝固時(shí)間，決定超前斷層20 m 對回采前方頂板和煤體進(jìn)行注漿改造。3301 工作面回采作業(yè)采用三八制，為了不影響工作面推進(jìn)度，選擇在檢修班進(jìn)行工程施工。

圖2 注漿鉆孔設(shè)計(jì)圖

（1）通過對3301 工作面煤巖破碎情況進(jìn)行分析，確定注漿深度為8 m，鉆孔孔徑為42 mm，封孔器位置選擇在距孔口2 m 處。為提高注漿效果，本次采用上下兩排鉆孔設(shè)計(jì)，上排鉆孔布置在頂板以下1 m 處，下排鉆孔布置在底板以上2 m 處，上排鉆孔和下排鉆孔仰角分別為15°和5°。

（2）通過試驗(yàn)可知馬麗散擴(kuò)散半徑大于2.5 m，為了充分保證破碎煤巖體的注漿效果，設(shè)計(jì)注漿鉆孔間距為4 m，注漿鉆孔呈三角形布置。

（3）破碎巖體的吃漿量是衡量注漿效果的重要因素。通過理論計(jì)算和現(xiàn)場注漿試驗(yàn)，確定本次注漿的單孔注漿量為400 kg，且采用間歇注漿法保證注漿效果。

（4）合理的注漿壓力選擇能夠保證注漿量，提高注漿效果。注漿壓力過大會造成巖體劈裂，產(chǎn)生人為破壞，浪費(fèi)漿液，同時(shí)容易使工作面煤壁產(chǎn)生片幫；壓力過小無法保證微小裂隙的填充效果，減小擴(kuò)散半徑，注漿效果較差。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，確定本次的注漿壓力為12～15 MPa。

4 應(yīng)用效果

為對注漿后破碎巖體進(jìn)行檢驗(yàn)，本次通過鉆孔窺視儀對注漿前后的頂板性質(zhì)進(jìn)行觀察，見圖3。在利用馬麗散對頂板巖層進(jìn)行改造后，漿液滲透入巖體裂隙中，對裂隙進(jìn)行填充，使頂板破碎巖體膠結(jié)為一整體，加固效果較好。由于煤層頂板主要以泥巖為主，巖石強(qiáng)度較低，容易受到斷層和采動應(yīng)力的疊加影響，導(dǎo)致頂板破碎，發(fā)生冒頂和壓架情況。本次對煤巖體進(jìn)行注漿改造后，工作面在回采過程中未發(fā)生較大的片幫冒頂事故，順利回采通過工作面，驗(yàn)證了注漿加固效果。

5 結(jié)論

（1）針對工作面回采過斷層時(shí)容易因頂板巖體破碎引發(fā)冒頂和壓架事故，為提高回采進(jìn)度，提出了調(diào)斜旋轉(zhuǎn)回采和割頂留底的回采方案。

（2）根據(jù)3301 工作面的地質(zhì)條件，選擇了馬麗散對破碎區(qū)域進(jìn)行注漿改造，合理設(shè)計(jì)注漿參數(shù)。經(jīng)鉆孔檢驗(yàn)，對比了注漿前后頂板裂隙發(fā)育情況，證實(shí)了頂板改造效果較好。

（3）本次通過對斷層區(qū)域進(jìn)行注漿加固，改善破碎煤巖體力學(xué)性質(zhì)，提高了工作面頂板的穩(wěn)定性和煤巖承載能力，確保頂板破碎嚴(yán)重區(qū)域的注漿效果，為工作面快速、安全通過斷層提供了保障。

圖3 注漿效果檢測