初采工作面過斷層注漿加固及回采工藝技術研究

李 偉

（晉煤集團趙莊二號井，山西 長治046600）

0 引言

斷層是我國煤炭資源開采過程中經常遇到的不良地質條件之一，由于斷層的地質歷史成因，其巖層往往較為破碎，完整性差，甚至含有地下水，進一步弱化了圍巖的整體強度，給煤炭資源的開采帶來了一定的影響[1-2]。斷層破碎帶對圍巖及頂板的安全影響很大，而斷層區域所含資源在開采過程中也不能舍棄，因此必須采取合適的技術措施通過斷層破碎帶，從而達到安全高效的開采[3-4]。

1 工程概況

圖1 切眼揭露斷層位置圖

目前趙莊二號井2309初采工作面設備已經安裝完畢，工作面切眼情況如下：工作面切眼傾斜長170m,安設ZF5400/17/34型液壓支架106架,機頭、機尾共安設ZFG5600/18/33型過渡支架7架。在切眼內揭露3條正斷層FS58、F24、F23，2309工作面切眼揭露斷層位置平面圖如圖1（a）所示，剖面圖如圖1（b）所示。

2 注漿加固技術

2.1 破碎帶注漿加固

工作面切眼揭露的斷層帶圍巖較為破碎，整體性差，為保證頂板及圍巖的安全，確保2309初采工作面初采的順利進行，結合工作面切眼實際情況經研究決定采用超前注漿加固技術對破碎圍巖體進行注漿，從而實現對圍巖性質的優化。注漿加固技術的基本原理為通過漿液粘聚性、膨脹性、密彈性、流動性等，使破碎的圍巖體聚合致密。2309初采工作面注漿材料采用瑪麗散，瑪麗散是高分子樹脂材料的一種，遇水或遇催化劑后發生化學及和物理反應發生膨脹，膨脹后具有較好的密彈性。為保證注漿加固能夠達到預期的加固范圍，還需采用適當的注漿壓力，使用高壓泵將漿液注入圍巖破碎帶中，漿液在高壓的作用下滲入裂隙帶，直至達到預定的位置，漿液會在一定時間內發生凝固，凝固后的漿液便可將破碎圍巖體粘結起來，形成較為完整的圍巖，增強圍巖的強度和穩定性。而在高壓漿液作用下，一些脆性巖體可能發生壓裂，即使如此，壓裂后的圍巖體在漿液凝固后形成新的完整圍巖體，其力學性能甚至優于原圍巖體，可減少支護結構所承受的壓力。

分析2309初采工作面切眼揭露斷層情況，發現切眼距離斷層25m時，工作面支架受斷層影響較大，在距離斷層10m左右時，頂板進入斷層破碎帶，通過斷層15m后，支架壓力開始減小，結合以上分析，2309初采工作面注漿加固范圍確定為：切眼距斷層前20m和切眼過斷層后15m。

工作面注漿加固技術，在一定程度上會影響正常的開采作業，因此，應當制定合理的工作制度和管理措施，來保證注漿加固和工作面開采的協調進行，避免發生窩工和進度延遲，從而保證初采工作面快速通過斷層帶，進入正常開采狀態。

2.2 注漿參數

1）注漿孔布置。根據2309初采工作面的地質條件和現場圍巖破碎情況，注漿孔深度定為5.5m，注漿孔孔徑40mm，孔口1.5m段為封孔位置，由于工作面揭露的斷層圍巖破碎情況較為嚴重，因此，注漿孔采用雙排布置方式，上層注漿孔布置在工作面頂板下方1m，鉆孔仰角15°，下層注漿孔布置在底板上方2m，鉆孔仰角15°，鉆孔間距為4m。2309初采工作面鉆孔布置圖如圖2所示。

圖2 2309初采工作面注漿鉆孔布置圖

2）注漿量。注漿量是影響注漿加固效果的重要因素之一，若注漿量過少則不能達到有效的注漿范圍，注漿量過多則造成浪費不經濟，因此選取合適的注漿量就顯得十分重要。注漿量受圍巖地質情況、注漿壓力等的影響，本文采用先期注漿試驗的結果，經過理論分析和現場驗證，注漿量確定為400kg/孔，由于注漿量較大，注漿方式應采用間歇式，在實際注漿過程中，地質條件具有不確定性，應根據實際需求隨時調整注漿量。

3）注漿壓力。在注漿過程中漿液的動力即來源于注漿壓力，注漿壓力不足帶來的影響為漿液不能擴散至需要的位置，從而加固效果不佳，注漿壓力過大帶來的不良影響則是迫使圍巖體發生過多的壓裂現象，甚至造成漿液沖出圍巖。同理，結合先期注漿試驗，注漿壓力確定為10MPa。

2.3 注漿加固工藝

2309初采工作面，所采用的注漿加固設備如圖3所示。

圖3 2309初采工作面注漿設備

注漿加固具體工藝流程為：

1）設計注漿參數。注漿參數主要有注漿孔的布置形式如孔深、孔徑、角度和間排距，以及注漿壓力、注漿量，需要說明的是所設計的注漿參數，在實際施工中并非一成不變的，而應根據實際情況隨時調整，來保證注漿效果的實現。

2）注漿孔鉆進。2309初采工作面所布置的注漿孔間距較小，因此，若同時進行注漿孔鉆進施工，則相鄰注漿孔可能相互影響，從而發生塌孔現象，故注漿孔的鉆進應間隔進行，即先鉆進一部分注漿孔，待其注漿完成后在鉆進相鄰的另一部分注漿孔。

3）安裝注漿設備。注漿設備按照其相對位置進行連接安裝，安全完成后，應進行預試驗檢驗設備的合理性以及安全設施的可靠性。

4）注漿作業。啟動注漿設備開始注漿作業，作業過程中應特別注意注漿壓力的變化，若發現注漿壓力發生突變或注漿壓力不穩定，應立即停止注漿，探明原因并采取措施后方可繼續注漿，同時，注漿作業過程中應有專門的安全措施。

5）注漿停止。注漿量達到預定要求，且無其他異常情況時便可停止注漿，之后，對注漿管路及注漿設備進行沖洗，保證下次的使用。

3 回采工藝措施

過斷層時除采用科學合理加固措施保證工作面圍巖體穩定以外，尚需采用適當的回采工藝，從而與加固措施相輔相成、相得益彰，達到最佳的過斷層效果，減少遇到斷層所帶來的損失，根據2309初采工作面的實際情況，主要采取以下回采工藝技術來進一步保證安全的通過斷層帶。

1）加快推進速度。工作面遇到斷層破碎帶時，在破碎帶前后一定距離和范圍內，發生支架工作組阻力增加，處于較高的壓力狀態，此時，應快速推進，減少支架處于高壓力狀態的時間，同時，也可減少圍巖的變形量，避免出現變形過大。快速推進的具體方法為，工作面快要揭露斷層時采用淺割快跑的作業方式，即采煤機進刀量減小，割煤速度提升，從而在較安全的前提下加快推進速度。

2）增大支架初撐力。支架初撐力的提升可保證支架與圍巖緊密接觸，減小圍巖變形量，達到最佳的支護效果，增大支架初撐力主要通過以下方法實現，首先應將支架的供液壓力提高，保證管路的密封良好，可采用增壓器等來提升供液壓，其次應保證有足夠的供液時間，避免時間不足造成的阻力下降。

3）加強頂板支護。由于斷層帶的圍巖較為破碎，給工作面頂板管理帶來了很多的問題，而頂板又是決定工作面安全性的主要因素，因此，工作面通過斷層帶時應特別注意加強頂板的支護，首先必須有合理的支護設計，其次保證支護施工達到質量要求。

4）合理的管理制度。工作面過斷層是工作面推進過程中的特殊時刻，因此，必須對管理制度做出相應的調整，如加強設備的檢修力度，確保設備的穩定可靠，建立工作面支架阻力，圍巖位移等數據觀測和記錄制度，定量分析圍巖的穩定性，并做出預警預判。

4 結 論

1）針對晉煤集團趙莊二號井2309初采工作面揭露斷層破碎帶的實際情況，提出采用注漿加固技術對破碎帶圍巖進行加固，并對注漿參數及注漿流程進行了設計。

2）為保證2309初采工作面順利通過斷層破碎帶，從推進速度、支架初撐力、頂板支護、管理制度詳細闡述了應采用的回采工藝措施。