3308II 綜放工作面過斷層構造帶注漿加固技術應用

趙子勛

（山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司萬里井，山西 晉城 048000）

在煤礦開采進程中，工作面推進時常會遇到斷層、構造帶等不良地質條件，受斷層構造帶等的影響，局部區域圍巖及煤體的整體性較差，經常表現出破碎、強度低、不穩定等特點，若不能很好地控制圍巖穩定，工作面在推過時，尤其是在大采高綜放條件下，極易導致事故災害發生。注漿加固是解決上述問題的一種有效措施，通過將漿液注入破碎圍巖，將原本較為破碎的煤巖體膠結成塊，形成相對更加連續完整的整體，有效增強了圍巖的強度，防止或減少冒頂、垮落發生[1-10]。

1 工程概況

萬里礦井田位于山西省澤州縣下村鎮萬里村東0.5 km，距晉城市25 km。礦井設計產能300 kt/a，采用立井開拓。3308II 綜放工作面布置在+730 m水平，井下標高+736～ +753 m，工作面斜長116 m，3 號煤層結構簡單，煤層厚度為6.25～6.40 m，平均厚度為6.33 m，煤層傾角8°～15°，為緩傾斜煤層，含有夾矸0～3 層，硬度f=3。煤層頂底板巖性描述見表1。

表1 煤層頂底板情況表

通過在工作面上下順槽布置注漿站，提前向工作面前方注漿，保證工作面過斷層時的安全生產。

2 工程應用

2.1 注漿加固原理

注漿加固，是通過使用高壓注漿泵，沿定向鉆孔朝著裂隙區域壓入具有凝結作用的漿液，漿液在高壓作用下，滲透進入破碎帶、裂隙帶的縫隙，在催化劑的作用下，經化學反應形成膠結狀產物，與周圍破碎的巖體、煤體一起構成連續支撐體，從而避免在工作面推過時，大量的松散破碎的巖塊導致垮落、片幫、冒頂。按照注漿方式不同，可劃分為四種類型：

（1）滲透。帶壓注漿，壓力大小不足以破壞原有地質構造，但完全可以把漿液加壓滲入裂隙，將破碎巖體膠結為一體。

（2）壓密。漿液進入裂隙后，置換出原有氣體，擠壓松散的巖體更加緊實。

（3）劈裂。注漿壓力超過原巖應力后，引起更大范圍的劈裂及裂隙發育，從而達到改善巖體強度的目的。

2.2 注漿材料

常用的注漿材料按屬性分為無機和有機兩種。無機材料主要為水泥類注漿材料，此類注漿材料具有便宜、易用等特點，缺點是需要長時間加壓注入，注入后需要凝結時間。常用的有機注漿材料有聚氨酯、漏必堵等高分子材料，此類材料因反應快、膨脹率高等特點，注漿后幾乎不需要預留凝結時間，可適應快速施工需要。因此，本次選用天固有機注漿材料。漿液注入后，可迅速凝固膠結，且具有較好的放水性、柔韌性，即可以使用常規的注漿泵加壓注入，又可以滿足膨脹膠結的需求。

2.3 注漿設備

結合礦井生產實際及注漿需要，選擇使用型號為ZBQS-10/10 多功能氣動注漿泵，配合混合槍、高壓膠管、封孔器使用。打孔使用工作面現有的液壓鉆機，配備麻花鉆桿。

2.4 注漿參數設計

根據斷層分布位置，分別在3308II 綜放工作面回風巷、運輸巷布置①號、②號兩個注漿站，在注漿站內向煤壁打鉆，形成1#、2#注漿通道。注漿站及注漿通道布置示意如圖1。

為減少鉆孔施工，降低工作量，盡量使用巷道內已有的瓦斯抽采鉆孔加深補孔使用。每個注漿站布置上下2 排5 個鉆孔，鉆孔傾角8°～15°，鉆孔相互間隔3 m，鉆孔長度40～80 m，鉆孔水平相互間隔3 m，兩排之間豎直間距1.5 m，鉆孔長度40～80 m。注漿站內鉆孔布置示意如圖2。

圖1 注漿站及注漿通道布置示意圖

圖2 注漿站鉆孔布置示意圖

2.5 注漿工藝

（1）注漿加固過程

注漿加固過程按照鉆孔設計、注漿施工、現場評估、停止作業四個步驟進行。注漿加固需要進行打孔、封孔、注漿三個步驟。鉆孔完畢后將注漿管深入孔底，完成封孔后開始注漿，當漿液初步填充完畢后，會產生回流，此時煤巖體內現有較大裂隙被填充到位。需保持一定注漿壓力繼續注漿，漿液在高壓作用下向裂隙內部滲透，直至高壓保持一段時間后停止注漿。一定時間內，漿液固化，原本破碎的煤巖體被膠結成為一個整體，較原有狀態強度增大，承載能力增強。

（2）注漿壓力設計

注漿壓力對漿液能否充分填充裂隙具有較大影響，壓力不夠會造成注漿效果打折，壓力太大則會造成劈裂注漿，更加劇煤巖體破碎，導致片幫、冒頂。因此，單孔注漿壓力可采用以下公式初步計算：

P=（2.5～2）H×r/100

式中：P 為注漿最大壓力，MPa；H 為注液點到靜水位的水柱高，m；r 為水的密度，取1。

3 效果分析

（1）可視效果

現場觀測可見，注漿前3308II 綜放工作面煤壁較為破碎，片幫、冒頂經常發生，嚴重影響回采效率；注漿后，回采可見膠結后的煤巖體，煤壁完整程度較好，片幫、冒頂情況減少明顯。

（2）現場監測

現場應用注漿加固技術后，在3308II 綜放工作面過斷層前后，對現場出現煤壁片幫、垮落、冒頂情況進行短期監測。得出注漿加固前后發生冒頂片幫的對比情況，詳見表2。

表2 注漿加固前后工作面冒頂片幫對情況比

經過短期連續監測，注漿加固后工作面冒頂片幫情況改善明顯，冒頂深度減小75%以上，頻次降低達60%，夾矸率降低61%，片幫深度減小64.7%，頻次降低65.7%，效果明顯。

4 結語

（1）目前常用的注漿加固材料有無機材料和有機材料，因優缺點不同，適用場景有所不同，需根據具體工程需求、注漿深度來具體選擇，揚長避短。

（2）因地制宜選擇注漿加固材料，可以有效提高構造帶附近圍巖整體性，提升支撐力，完成對破碎圍巖的加固，減少冒頂、片幫等次生災害對設備人員安全的損害。

（3）注漿壓力及注漿量需經計算得出，選擇合適的注漿壓力及注漿量，以求取得良好的注漿效果。

（4）經過短期連續監測，注漿加固后工作面冒頂片幫情況改善明顯，冒頂深度減小75%以上，頻次降低達60%，夾矸率降低61%，片幫深度減小64.7%，頻次降低65.7%，效果明顯。

（5）實踐表明，綜放工作面過斷層使用注漿加固技術來解決冒頂、片幫災害是可行的，可有效解決煤巖體破碎、完整度差的問題，應用取得良好效果，對同類型工作面過斷層問題具有一定借鑒意義。