青洼煤業(yè)2105 綜放工作面過斷層帶注漿加固技術(shù)研究

郭健康

（山西晉煤集團(tuán)晟泰能源投資有限公司，山西 晉城 048000）

斷層是煤炭開采時(shí)常見地質(zhì)構(gòu)造，斷層帶附近煤層圍巖破碎、應(yīng)力集中，采面以及巷道圍巖難度均有一定程度增加[1-2]。采面及巷道掘進(jìn)至斷層破碎帶時(shí)易出現(xiàn)冒頂、片幫等事故，給煤炭生產(chǎn)安全帶來威脅[3-4]。為此，提高斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性對提高礦井生產(chǎn)安全具有重要意義。青洼煤業(yè)2105綜放工作面回采時(shí)受F5 正斷層影響，斷層破碎帶附近煤巖體破碎，通過超前注漿加固方式使得破碎帶內(nèi)圍巖形成穩(wěn)定的整體，實(shí)現(xiàn)了采面安全回采。

1 工程概況

2105 綜放工作面位于一水平，開采2 號煤，煤層厚度平均4.28 m，采面采高2.6 m，放煤1.68 m，頂?shù)装鍘r性見表1。工作面切眼（傾斜）長度102 m，回采（走向）長度為288 m（切眼中-設(shè)計(jì)停采線）。

表1 2 號煤頂?shù)装鍘r性

工 作 面 內(nèi) 有F5 正 斷 層（H=12 m，199°∠75°），斷層破碎帶內(nèi)煤巖體破碎。采面過F5 斷層時(shí)煤壁容易片幫，支架頂梁上煤體、巖層破碎極易出現(xiàn)冒頂事故，給采面回采安全帶來不利影響。為了提高采面頂板巖層控制效果，對斷層影響范圍內(nèi)破碎煤巖體進(jìn)行加固，具體加固范圍如圖1。

圖1 加固范圍示意圖

2 斷層破碎帶注漿加固

2.1 注漿加固思路

為了提高注漿效率，降低注漿對采面回采影響，提出以回采巷道注漿為主、采面注漿為輔的加固技術(shù)方案[5]。

（1）由于F5 斷層斜穿采面，為了降低注漿對采面回采影響，在回采巷道內(nèi)施工對向注漿鉆孔，通過向注漿鉆孔內(nèi)灌漿來對斷層影響帶附近的煤巖體進(jìn)行加固。

（2）當(dāng)采面回采至斷層破碎帶附近時(shí)，若部分區(qū)域注漿效果未達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)要求，煤巖體仍較為破碎時(shí)，則在采面內(nèi)施工側(cè)向鉆孔對破碎煤巖體進(jìn)行注漿加固。

2.2 注漿鉆孔布置優(yōu)選

合理的布置注漿鉆孔不僅可減少注漿鉆孔施工工程量，而且可提高注漿效果及注漿效率。2105 工作面切眼斜長102 m，由于斷層斜穿采面，需要進(jìn)行注漿加固。在兩側(cè)巷道內(nèi)施工的鉆孔長度在55 m即可實(shí)現(xiàn)對采面內(nèi)斷層全覆蓋注漿。注漿鉆孔采用液壓鉆機(jī)施工，根據(jù)注漿鉆孔傾角、長度等參數(shù)差異，提出下述4 種注漿加固方案，具體如圖2[6-7]。

圖2 注漿加固鉆孔布置示意圖

（1）方案一

該方案注漿鉆孔均為平行布置，即注漿鉆孔均垂直巷幫布置，沿著煤層傾向施工，具體布置如圖2（a）。

由于鉆孔均勻布置，注漿過程中注漿孔不易出現(xiàn)竄孔。但施工完成一個(gè)注漿孔后即需前移鉆機(jī)，存在鉆孔施工難度大、施工效率低以及作業(yè)人員勞動強(qiáng)度高等問題

（2）方案二

該方案注漿鉆孔成垂直扇形布置，在同一位置施工3 個(gè)注漿鉆孔，鉆孔均垂直采面推進(jìn)方向，鉆孔分別按照15°、35°、55°仰角布置，3 個(gè)注漿鉆孔為一組。具體布置如圖2（b）。

由于鉆孔在同一位置布置，注漿孔施工時(shí)不需頻繁移動鉆機(jī)，僅調(diào)整鉆機(jī)仰角即可實(shí)現(xiàn)鉆孔鉆進(jìn)，且注漿孔覆蓋范圍廣，可減少注漿加固空白帶。但是由于鉆孔在同一位置鉆進(jìn)，鉆孔施工時(shí)使鉆進(jìn)位置煤巖體破碎較大，不同注漿孔間注漿時(shí)間間隔較小時(shí)容易出現(xiàn)竄孔問題，影響注漿效果。

（3）方案三

該方案注漿鉆孔成水平扇形，在同一位置施工3 個(gè)注漿鉆孔，其中中間鉆孔垂直煤壁，兩側(cè)鉆孔均有一定的外插角，具體如圖2（c）。

由于鉆孔開孔位置固定不變，因而可降低鉆機(jī)移動次數(shù)、作業(yè)人員勞動強(qiáng)度。但由于鉆孔有一定的外插角，也存在鉆孔鉆進(jìn)工程量大問題。

（4）方案四

該方案結(jié)合方案一、方案二及方案三特點(diǎn)，并將上述方案進(jìn)行綜合，以便實(shí)現(xiàn)降低鉆機(jī)移動距離以及減少鉆孔鉆進(jìn)工程量目的，具體鉆孔布置如圖2（d）。3 個(gè)注漿孔為一組，2 個(gè)注漿孔按垂直扇形布置，即鉆孔垂直采面推進(jìn)方向，仰角分別為55°、35°；1 個(gè)鉆孔按水平扇形布置，即鉆孔有一定外插角。

采用該方案不僅可減少鉆機(jī)移動次數(shù)，而且可避免注漿時(shí)鉆孔出現(xiàn)竄孔問題。

綜合上述分析，認(rèn)為方案四注漿鉆孔布置方式優(yōu)勢顯著。因此，采用方案四鉆孔布置方式，即垂直扇形、水平扇形混合布置方式。

2.3 注漿鉆孔施工

2.3.1 回采巷道內(nèi)注漿孔施工

在2105 工作面兩回采巷道布置混合鉆孔，3 個(gè)鉆孔為一排，2 排鉆孔為1 組。

第1 排鉆孔開孔位于頂板下方1 m 位置，從該位置向巷道頂板施工3 個(gè)注漿孔：①號注漿孔垂直巷道壁施工，仰角75°，孔深5.0 m；②號注漿孔垂直巷道壁施工，仰角55°，孔深30.0 m；③號注漿孔外插30°，仰角30°，孔深25.0 m。

第2 排鉆孔與第一排鉆孔間距為3 m，在頂板下方1 m 位置開孔施工注漿鉆孔：①號注漿孔垂直巷道壁施工，仰角75°，孔深15.0 m；②號注漿孔垂直巷道壁施工，仰角55°，孔深40.0 m；③號注漿孔外插30°，仰角30°，孔深35.0 m。在間隔第1 組鉆孔5 m 位置按照第1 組鉆孔參數(shù)布置第2組鉆孔。

在斷層破碎影響帶內(nèi)共布置4 組注漿鉆孔，注漿加固范圍共計(jì)11 m。具體注漿鉆孔布置如圖3。

圖3 注漿孔布置示意圖

在回采巷道內(nèi)布置的注漿鉆孔應(yīng)依據(jù)煤層賦存以及斷層情況確定注漿加固參數(shù)。鉆孔施工均采用Ф75 mm 鉆頭，封孔采用Ф50 mmPE 管，封孔長度為2～8 m 不等，具體依據(jù)鉆孔孔深確定。注漿管為Ф16 mm 鍍鋅鋼管，排氣管采用Ф15 mmPVC 管，注漿管、排氣管長度均為2.0 m。

注漿加固材料選用水泥單液漿，水灰比為1.5:1，注漿壓力為4～6 MPa。

2.3.2 采面內(nèi)注漿孔施工

在2105 工作面回采推進(jìn)時(shí)，受部分鉆孔塌孔影響，采面部分位置煤巖體注漿加固效果不佳，回采時(shí)仍有小范圍冒頂事故發(fā)生。可在工作面內(nèi)補(bǔ)打注漿孔進(jìn)行輔助加固，具體注漿孔布置如圖4。

圖4 采面注漿鉆孔布置示意圖

布置的注漿孔間距為1500 mm，開口位于采面頂板下方200 mm 位置，鉆孔傾角為45°，孔深為5700 mm，終孔位置與巷道頂板間距為4000 mm。注漿時(shí)注漿管為長度2000 mm、Ф4 mm 鍍鋅鋼管，封孔長度為1000 mm，注漿漿液為水灰比1.5:1 的水泥單液漿，注漿壓力為1.5 MPa。

2.4 注漿效果

在2105 回采巷道、采面通過超前注漿加固斷層破碎帶圍巖。為了檢驗(yàn)注漿加固效果，采用鉆孔窺視儀對斷層破碎帶內(nèi)煤巖體情況進(jìn)行窺視，具體結(jié)果如圖5。從窺視結(jié)果看出，通過超前注漿后，斷層破碎段內(nèi)裂隙被注漿漿液充填，起到較好的加固效果。

圖5 鉆孔窺視結(jié)果

采面在過斷層期間頂板無冒落、煤壁基本不片幫，為采面順利、高效通過斷層破碎帶創(chuàng)造了良好條件。

3 結(jié)語

（1）依據(jù)2105 綜放工作面地質(zhì)賦存、F5 斷層賦存情況，對不同類型注漿孔布置方案進(jìn)行優(yōu)選，最終優(yōu)選出混合注漿方式破碎帶注漿效果更為顯著。

（2）對混合式注漿方式下的回采巷道內(nèi)注漿方案、采面注漿方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)場應(yīng)用后，斷層破碎帶內(nèi)圍巖裂隙被注漿漿液充填，圍巖穩(wěn)定性顯著提升。采面過斷層期間未出現(xiàn)煤壁片幫、頂板冒落等問題，為采面過斷層安全創(chuàng)造了良好條件。