注漿加固技術在綜采工作面過斷層時的應用

張 勇

（同煤集團忻州窯礦，山西 大同 037000）

煤礦井下采煤工作面在回采過程中經常會遭遇斷層等地質構造情況。斷層構造帶的形成改變其影響范圍內的煤巖層結構狀態，煤巖體擠壓破碎，煤巖體承載能力下降，造成工作面過斷層回采期間煤層頂板破碎、煤壁片幫、頂板冒落等現象時常發生，給工作面正常推進及安全回采帶來極大影響。隨著煤礦裝備技術水平的不斷提升，綜采工作面裝備不斷向大功率、大采高方面發展[1]，其重量也隨之不斷增加，當工作面回采至斷層構造帶影響范圍區域時，因受斷層影響，其周圍的煤巖體承載能力大幅度下降，極易造成工作面支架出現下陷現象，嚴重影響工作面正?；夭蒣2]。本文以常村煤礦8110 工作面回采期間過DF12斷層為例，提出超前預注漿加固技術方案，措施實施后，煤巖體穩定性和承載能力得到了明顯提高，工作面實現了安全順利過斷層回采。

1 工程概況

常村煤礦8110 工作面主采8#煤層，煤層厚度7.5 m，傾角5°～8°，煤層結構較為復雜，煤層內含夾矸層，主要巖性為炭質泥巖和高嶺石。工作面沿煤層走向布置，工作面走向長1 900 m，傾斜長180 m，工作面回采工藝為綜采放頂煤開采工藝。工作面沿走向回采935 m 時在工作面中下部區域范圍內揭露DF12斷層，斷層產狀為105°∠59°，落差H=6.1 m，斷層影響區域走向長400 m，傾斜寬30～50 m。受斷層構造帶破壞影響，在斷層影響范圍內的煤層頂板及煤壁煤巖層松軟破碎片幫，煤層底板松軟出現下陷現象，下陷深度在0.6～3.5 m，給工作面正常生產帶來較大安全隱患，制約著工作面安全高效回采。為解決上述問題，采取對工作面煤體進行超前注漿加固措施。

2 注漿加固方案設計

2.1 注漿加固方案

綜合分析8110 工作面地質條件及井下開采現場實際狀況，決定在工作面運輸巷施工注漿鉆孔，對工作面前方950～1 365 m 之間出現底板下陷范圍內的煤層進行注漿加固。在工作面回采前方950～1 220 m 范圍內，工作面煤層下陷到底板內0.6～1.4 m，煤體較為松軟，注漿鉆孔間距設計為3 m、鉆孔深度為30～50 m；在工作面前方1 220～1 365 m 范圍內煤層下陷到底板內1.4～3.5 m，煤體松軟破碎，注漿孔布置間距設計為3 m，鉆孔深度為25～30 m。鉆孔施工的角度根據工作面底煤厚度變化情況進行調整，保證對工作面整個底煤區域全部覆蓋。

鉆孔開孔位置距巷道底板高度為1 m。根據工作面煤層下陷進入底板深度計算鉆孔施工傾角為4°～12°，根據現場實際情況，為了便于施工，統一將鉆孔施工角度調整為8°。工作面注漿鉆孔布置見圖1。

圖1 工作面注漿鉆孔布置

2.2 注漿材料選擇

用于提升工作面松軟破碎煤巖體的整體穩固性和自身承載能力的注漿加固材料主要有兩種類型，分別為有機類化學漿液和無機類水泥漿液[3]。其中，化學類漿液一般為高分子有機材料，主要用于對煤巖體產生的較小裂隙進行填充封堵，水泥漿液一般用于對煤巖體產生較大的裂隙進行充填封堵。根據工作面煤巖體變化情況，對工作面煤巖體進行注漿時先使用P·O42.5 硅酸鹽水泥配制的水泥漿液對煤巖體進行加固。如果加固后工作面仍然出現煤壁松軟片幫或頂部煤巖冒落等煤巖體不穩定現象，說明注漿后煤巖體承載能力不能滿足要求，此時則選擇使用改性脲醛樹脂配制的化學漿液進行注漿加固。

因斷層構造影響范圍內的煤體松軟，注漿難度比較大，在對該段區域內的煤體進行注漿施工過程中需要注意適當調整水泥漿液的配制濃度和化學漿液A、B料的配比，確保漿液能夠有效進入煤體裂隙內。根據相關試驗研究結果，水泥漿液的水灰比為0.8，化學漿液A、B漿料的配比按照3:1 調配時能夠有效提升煤巖體的整體注漿效果[4]。

2.3 封孔工藝

在注漿鉆孔施工結束后開始進行注漿，初期采用止漿塞對注漿孔進行封堵，但由于注漿壓力較大，止漿塞封堵不嚴，效果不好，造成注漿時部分漿液會從注漿孔口溢出。經過多次優化改良和試驗，最后選擇使用孔口麻絲封孔裝置對注漿孔進行封孔，見圖2。

圖2 工作面注漿鉆孔封孔結構

該封孔裝置采用一根3 m 長和一根6 m 長，直徑為30 mm 的無縫鋼管設計而成，鋼管布置在注漿孔孔口位置；其中，通過3 m 長的鋼管用馬麗散來對注漿孔口實現封堵，在鋼管孔口兩端塞填麻絲，從而減少注漿時漿液的滲漏量；通過6 m 長的鋼管對注漿孔進行注漿加固。

2.4 漿液在煤體中的有效擴散半徑確定

漿液注入煤體后，其有效擴散半徑與選取的注漿材料、調配的漿液濃度及配比比例、注漿時間和注漿施工工藝等有關。注漿時，漿液一般先沿著煤巖體裂隙發育方向進行延伸擴展，漿液擴散范圍不均勻。依據礦井以往在煤層中注漿的經驗情況，本次對工作面注漿確定漿液在煤體中的有效擴展半徑為1.5 m。

2.5 注漿壓力選擇

在煤體注漿時，如果注漿壓力選取過高將會對煤體產生較大沖擊力，導致在煤體內形成新的裂隙，不利于提高煤體的整體強度[6]；若注漿時壓力過低則會降低漿液的擴散性，造成注漿出現盲區，達不到注漿預期效果。通常情況下，注漿時最大注漿壓力是井下施工地點安裝的進水管靜壓水壓力的2～3 倍[5]。在8110 工作面運輸巷內施工注漿鉆孔位置的進水管靜壓水壓力為4 MPa。因此，在注漿孔注漿時注漿壓力值應為8～12 MPa，結合現場注漿施工的實際情況，最終確定8110 工作面注漿時最大壓力值為12 MPa。

2.6 煤體注漿量確定

因工作面不同地點的煤巖性質存在有差異性，因此不同地點的注漿孔注漿量也會存在一定的差異。通常情況下注漿時將注漿壓力調至最大值時注漿孔內的漿液保證不會向煤體外繼續擴散，此時持續供壓達到30 min后可以停止注漿。注漿孔注漿量（Q）可以運用以下公式進行計算[6]：

式中：N 為注漿孔施工的數量，個；A 為注漿時消耗的漿液系數；R 為漿液在煤體中的有效擴散半徑，m；H 為鉆孔深度，m；β 為注漿時漿液在煤體中的充填系數；η 為注漿施工位置煤巖層孔隙率，%；l 為注漿漿液結石率。

根據現場施工情況，取N=140；A=1.1～1.3，取1.2；R=1.5；H=25～50；β=0.7～0.8，取0.7；η=0.8%；l=0.9，當H=25 m 時，將上述參數代入公式（1）中計算得出最小注漿量Q=185 m3，當H=50 m 時，將上述參數代入公式（1）中計算得出最大注漿量Q=369 m3。

3 應用效果分析

采用2 臺LSY-110 型注漿泵，利用有機類化學漿液和無機類水泥漿液相結合的注漿材料對煤體進行注漿，用于提高工作面過斷層期間破碎煤巖體的穩定性和強度。共計用時75 天完成8110 工作面140 個注漿鉆孔的施工和注漿工作，注入的漿液中水泥漿液最大單孔注入量為2.8 m3，化學漿液最大單孔注入量為3.5 t，工作面注漿孔共計注入水泥漿液133 m3，注入化學漿液118 t。工作面煤體中實際注入的漿液量比理論計算的注漿量相差較大。

采取超前注漿措施以后，工作面安全順利通過了斷層影響區域，回采過程中液壓支架和刮板輸送機未再出現陷入煤層底板現象，工作面煤壁和頂板未出現大面積片幫及冒落現象，表明工作面煤體經過注漿固化后整體承載能力和穩定性得到了極大增強。對注漿后的煤體取樣得到的效果見圖3，從圖中可以看出，煤體中存在的裂隙被漿液全部充填。

圖3 工作面煤體注漿后效果

4 結論

1）依據以往工作面注漿經驗，同時采用工程類比法對工作面煤體注漿方案進行設計，注漿鉆孔設計按照水平間距3 m，鉆孔深度25～50 m 進行布置，注漿壓力值最大控制在12 MPa。

2）注漿過程中選用水泥漿液和有機化學漿液相互交叉配合的方式可以有效發揮漿液充填煤體裂隙的作用，煤體中存在的裂隙被漿液全部充填，煤體的整體性和強度得到提升，提高了固化煤體的效果。

3）現場應用結果表明破碎松軟煤體經過注漿后整體強度得到明顯提升，承載能力也得到極大增強，工作面回采過程中未出現設備下陷和頂板事故問題，實現安全順利過斷層構造帶，為今后礦井過類似斷層構造帶提供了一定的參考價值。