采煤工作面過地質構造超前加固技術研究

路李兵

(山西汾西礦業集團有限責任公司 正益煤業，山西 介休 032000)

煤巖開采過程中斷層是較為常見的地質構造類型，由于斷層存在會導致煤層、頂底板巖體連續性以及穩定性等破壞，同時斷層也是較好的導水地質構造[1-2]。采掘作業面在推進至斷層影響區時常面臨圍巖失穩(具體表現為冒頂、片幫)問題，同時液壓支架容易出現接頂不密實、傾覆或者壓架等事故，因此，在工作面回采至斷層影響區時應針對性采取治理措施[3-5]。現階段對于落差較小斷層，一般采用平推硬過法，從而減少斷層給煤炭回采、生產效率影響[6-8]。文中就以山西某礦30703綜采工作面過斷層為工程實例，提出在通過利用回采巷道向斷層影響區內超前注漿加固，提高斷層影響范圍內煤巖體穩定性，從而為采面安全回采創造良好條件。

1 工程概況

30703綜采工作面設計開采距離1 580 m、切眼長280 m，開采7號煤層，煤層厚度4.6 m，傾角5～10°，埋深470 m。7號煤層頂板巖性以泥巖、砂巖為主，具體見表1。

表1 7號煤頂底板巖性

依據30703綜采工作面巷道掘進、鉆探及物探資料，在30703綜采工作面開采范圍內分布有多條地質斷層，落差在0.5～2.8 m，具體探測出來的斷層參數見表2。在開采范圍內，F11及F13斷層對生產影響較大，且兩個斷層均靠近運輸巷發育。為降低斷層對采面推進影響，提出在運輸巷內向斷層發育區注漿，提高斷層影響范圍內破碎煤巖體強度及穩定性，以便為采面安全快速過斷層影響區創造良好條件。

表2 斷層參數

2 斷層影響區超前加固技術

2.1 注漿材料確定

在30703綜采工作面運輸巷內向F11及F13斷層影響區內，布置鉆孔對破碎、不穩定煤巖體進行加固。超前注漿使用的注漿材料會直接影響超前加固效果，同時也會影響超前注漿加固經濟性。在選擇注漿材料時應滿足下述要求：①采用的注漿材料應具備較好的流動性且膠結時間可調整，從而滿足長距離泵送以及注漿需要；②注漿漿液應與破碎煤巖體膠結性良好，且漿液在裂隙或者空洞內膠結后應顯著提升破碎煤巖體穩定性及承載能力，確保巖體不會出現掉落；③注漿材料應具備較好的經濟性，阻燃且膠結過程中熱量釋放量小。根據上述要求，在30703綜采工作面運輸巷超前注漿時選擇集團公司自主研發的無機復合材料，具體選用的注漿加固材料具有下述特征：

1) 材料固結后強度高。選取礦井30701綜采工作面過DF105斷層影響區域內破碎煤巖體以及頂板矸石，將材料置于容器內，孔隙率控制在4%，具體破碎煤炭體膠結情況見圖1(a)；將膠結后的采用注漿漿液充填破碎煤炭體送太原理工大學進行單軸抗壓試驗，具體試驗結果見圖1(b)。從圖1中看出，從宏觀上看，經過注漿材料膠結后破碎煤巖體穩定性較強；試驗獲取到膠結后的破碎煤體抗壓強度穩定在21～24 MPa。

圖1 單軸抗壓試驗結果

2) 注漿采用的無機復合材料殘余強度較高。采用的無機復合材料添加有纖維，較水泥基材料可明顯提高殘余強度。通過對破碎煤炭體注漿加固后，可保持破碎煤巖體不散落，避免出現冒頂或者片幫等事故。

3) 注漿材料具有流動性好、粒度小優點，在井下進行注漿試驗。具體試驗方法：在注漿點布置注漿鉆孔，并與注漿鉆孔間隔5 m、7.5 m、10 m及12.5 m分別布置檢驗孔，若檢驗孔內有漿液外溢，則表明注漿漿液擴散至檢驗孔位置，從而初步得到注漿漿液有效擴散半徑。現場試驗后，發現注漿漿液有效擴散半徑可達到10 m以上，可滿足井下注漿需要。

4) 注漿材料具有較好的可注性。注漿材料初凝以及終凝時間分別為5.5 h、8.0 h，且膠結時間可依據現場需要進行調整，可滿足斷層破碎帶內長距離、大流量注漿加固需求。

5) 注漿材料膠結后結石率達到100%、析水率0，漿液穩定；注漿漿液水灰比控制在0.3～0.4，注漿過程中以及注漿后不會出現破碎煤巖體遇水軟化問題。

2.2 注漿鉆孔布置

F11及F13斷層影響區靠近30703綜采工作面運輸巷，從而為超前加固技術實施創造良好條件。根據采面生產以及斷層賦存情況，提出在采面運輸巷內布置鉆孔，向斷層影響區內進行加固，具體鉆孔布置見圖2。

圖2 超前注漿鉆孔平面布置示意(m)

在運輸巷內布置的加固鉆孔均為垂直煤壁施工，鉆孔布置2排且呈現三花眼狀，鉆孔間距均為3.0 m。第一排、第二排鉆孔與巷道底板間距分別為1 m、2.5 m。在F11斷層影響區內孔深控制在25～35 m、在F13斷層影響區內鉆孔控制在35～50 m，鉆孔終孔位置應穿越斷層破碎帶達到另一盤穩定巖層內。鉆孔注漿選中ZBQS-10/10注漿泵，配套有混合槍、高壓膠管。

在對斷層影響區內注漿時，注漿壓力會影響注漿量以及漿液擴散影響范圍。根據以往注漿經驗，將注漿壓力設定為2倍靜水壓力時注漿效果較好，同時考慮到斷層影響區內煤巖體破碎，可適當降低注漿壓力。為此，注漿鉆孔注漿壓力設計為3～5 MPa。單孔注漿量應根據現場情況確定，初步確定單孔注漿量保持為150～260 m3。

2.3 注封孔

在鉆孔時，若采用止漿塞封孔，由于注漿壓力較大導致漿液出現一定外溢情況。為此，提出采用兩堵一注方式進行封孔，具體結構見圖3。單孔封孔長度均為3.0 m，封孔裝置包括有孔口管以及麻繩等，通過孔口管向兩麻繩間注入馬麗散，麻繩起到減少馬麗散外溢效果，當馬麗散從孔口外溢且穩定后，表明已完成孔口封堵。

圖3 孔口封孔結構示意(mm)

2.4 超前加固效果分析

在30703綜采工作面運輸巷內共計安排50個鉆孔加固F11和F13斷層影響區，整個注漿加固過程耗時21 d，加固主要集中在采面檢修班，因此超前注漿不會給煤炭回采帶來制約。

F11和F13斷層影響區注漿加固完成2個月后，采面推進至斷層影響區，期間斷層影響區內破碎煤巖體等被注漿漿液充填，圍巖穩定性較好，采面推進期間仍保持正常推進速度。具體采面液壓架間頂板情況見圖4，從圖中看出，注漿漿液在破碎煤巖體裂隙中擴散、膠結，可有效提高煤巖體整體承載能力及整體性。

圖4 注漿加固后采面架間頂板現場圖

3 結 語

30703綜采工作面內發育多條斷層，斷層影響區內煤巖體裂隙發育且破碎，采面回采期間容易出現冒頂、片幫等安全風險。若在采面內采用注漿方式對頂板及煤體進行加固，則會占用生產時間，影響推進效率。F11和F13斷層對采面生產影響較為明顯且分布靠近運輸巷，為此提出在運輸巷內布置鉆孔，向斷層影響區進行注漿加固，以便提高斷層影響范圍內煤巖體穩定性并為采面安全推進創造良好條件。

根據現場情況，對注漿鉆孔布置以及注漿工藝等進行分析，現場應用后，30703綜采工作面得以安全、快速推進過F11和F13斷層影響區，期間圍巖始終保持穩定，現場應用效果較好。