注漿加固技術(shù)在綜采工作面過(guò)斷層中的應(yīng)用

龐 威

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦業(yè)公司，山西 大同 037031）

斷層是采掘過(guò)程中常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造，斷層侵入后會(huì)造成斷層區(qū)圍巖破碎、斷裂，當(dāng)工作面回采至斷層區(qū)時(shí)很容易出現(xiàn)頂板破碎垮落、煤壁大面積片幫等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，增加了工作面回采難度，降低了回采安全系數(shù)，因此對(duì)斷層區(qū)圍巖采取合理有效控制技術(shù)，對(duì)工作面安全回采具有重要意義。本文以白洞礦8114 工作面為研究對(duì)象，對(duì)工作面過(guò)斷層期間提出了以注漿加固為主、錨索梁棚支護(hù)為輔的綜合圍巖控制技術(shù)[1-5]。

1 概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦業(yè)公司8114 工作面位于301 盤區(qū)南部左翼的最北部。工作面東部為井田邊界，西部為盤區(qū)的皮帶、材料、回風(fēng)巷，南部為實(shí)煤區(qū)，北部為301 盤區(qū)東部的皮帶、軌道及回風(fēng)巷。8114 工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為1316 m，傾向長(zhǎng)度為151 m，工作面回采煤層為石炭系3#煤層，平均厚度為9.05 m，平均傾角為3°，煤層普遍有3～8 層夾石，夾石厚一般為0.10～0.30 m，夾石斷斷續(xù)續(xù)，不穩(wěn)定。煤層頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

表1 8114 工作面3#煤層頂?shù)装鍘r性匯總表

8114 工作面回采至840 m 處在機(jī)頭處揭露F8正斷層，斷層落差為2.4 m，傾角為52°。隨著工作面不斷推進(jìn)，斷層從機(jī)頭處揭露并向工作面中部延伸，斷層影響工作面傾向長(zhǎng)度為42 m，影響走向長(zhǎng)度為64 m。工作面揭露斷層后，受應(yīng)力影響，工作面頂板及煤壁出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象。

2 斷層區(qū)圍巖控制技術(shù)

為了防止工作面在過(guò)斷層期間出現(xiàn)頂板垮落、煤壁大面積片幫等事故，保證工作面安全快速過(guò)斷層區(qū)，決定對(duì)斷層區(qū)圍巖采取注漿加固為主、錨索梁棚為輔的聯(lián)合控制技術(shù)。

2.1 注漿加固

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，斷層侵入后導(dǎo)致斷層區(qū)煤體出現(xiàn)嚴(yán)重硅化現(xiàn)象，煤巖體呈嚴(yán)重破碎狀。通過(guò)對(duì)斷層區(qū)煤巖體采取單軸抗壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅化煤體單軸抗壓強(qiáng)度不足10 MPa。為了提高煤巖體整體穩(wěn)定性及抗壓強(qiáng)度，可采用注漿法進(jìn)行加固。

2.1.1 注漿加固原理

注漿加固主要通過(guò)對(duì)破碎圍巖體內(nèi)施工注漿鉆孔，然后在鉆孔內(nèi)安裝注漿管，通過(guò)專用注漿泵高壓將注漿液壓入鉆孔內(nèi)。注漿液具有很強(qiáng)的流動(dòng)性，注漿液在高壓作用下滲透至巖體裂隙帶內(nèi)，漿液凝固后對(duì)裂隙巖體主要有三方面作用：一是注漿凝固體對(duì)裂隙巖體進(jìn)行填充封堵，防止應(yīng)力在裂隙內(nèi)產(chǎn)生卸壓破壞作用及風(fēng)化作用；二是注漿液凝固時(shí)對(duì)沙粒狀煤巖體進(jìn)行粘接固化，進(jìn)行二次重組，提高破碎巖體整體承載能力；三是注漿液凝固體具有很強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度以及很好的韌性，從而提高圍巖抗載荷能力。

2.1.2 注漿鉆孔布置參數(shù)

8114 工作面在過(guò)斷層期間，煤壁片幫量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)頂板破碎垮落量，頂板破碎主要是由于煤壁片幫導(dǎo)致端面距加大，當(dāng)支架支護(hù)不及時(shí)或端面維護(hù)不到位時(shí)，很容易出現(xiàn)頂板垮落、冒漏事故，所以決定對(duì)煤壁布置注漿仰斜孔。

（1）注漿鉆孔采用手持式鉆機(jī)配套長(zhǎng)1.2 m、直徑為22 mm 的麻花鉆桿以及直徑為42 mm 的“八”字型合金鋼鉆頭進(jìn)行施工。

（2）注漿鉆孔布置在工作面煤壁上，鉆孔開(kāi)孔位置距頂板距離為1.2 m，鉆孔仰角為45°，鉆孔深度為5.0 m，鉆孔終孔位置位于工作面頂板往上1.5 m 處，注漿鉆孔布置間距為3.0 m，如圖1。

圖1 8114 工作面斷層區(qū)圍巖聯(lián)合控制技術(shù)（mm）

（3）由于8114 工作面揭露的F8 斷層從機(jī)頭處揭露，為了防止機(jī)頭三角區(qū)域煤柱出現(xiàn)垮落，在運(yùn)輸順槽側(cè)煤壁依次施工一排注漿鉆孔，鉆孔參數(shù)與工作面注漿參數(shù)相同。

2.1.3 注漿工序

（1）為了不影響工作面正常回采，鉆孔施工、注漿等工序在檢修班施工。注漿施工順序?yàn)椋恒@孔施工→安裝注漿軟管→連接注漿泵→鉆孔封孔→開(kāi)泵注漿。

（2）注漿液采用聚氨酯漿液，注漿施工時(shí)施工人員應(yīng)站在上風(fēng)側(cè)，注漿時(shí)先高壓將注漿液安全滲透至圍巖裂隙內(nèi)，然后采用低壓注入使?jié){液在裂隙內(nèi)逐漸滲入。

（3）在注漿施工時(shí)為了防止注漿返漿現(xiàn)象，在注漿口處應(yīng)安裝返漿裝置和卸壓裝置，注漿期間一旦出現(xiàn)煤壁有漿液滲透時(shí)立即停止注漿。正常情況下單孔注漿量不得低于30 kg，注漿時(shí)間控制在15～20 min 范圍內(nèi)。

2.2 錨索梁棚施工

注漿加固后雖然可提高斷層區(qū)裂隙巖體穩(wěn)定性，但是當(dāng)工作面局部出現(xiàn)片幫、端面距加大時(shí)，若不及時(shí)進(jìn)行控制維護(hù)，同樣會(huì)出現(xiàn)頂板垮落事故，所以對(duì)8114 工作面局部頂板采取錨索梁棚支護(hù)。

（1）錨索梁棚支護(hù)主要施工在端面距大于1.5 m 的煤巖膠結(jié)區(qū)，傳統(tǒng)錨索梁棚主要采用工字鋼梁與錨索配套施工。工字鋼錨索吊棚在施工中存在一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾方面：工字鋼錨索吊棚重量大，施工時(shí)勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度高；工字鋼錨索吊棚成本費(fèi)用高；工字鋼錨索吊棚施工后很容易對(duì)頂板產(chǎn)生切頂作用，導(dǎo)致頂板二次破壞。因此，8114 工作面決定采用JW 型鋼梁配套錨索進(jìn)行施工。

（2）JW 型鋼梁寬0.32 m，厚度為6 mm，為了便于施工，每根JW 型鋼梁長(zhǎng)度為2.5 m，鋼梁上布置兩個(gè)錨索支護(hù)孔，孔間距為2.0 m。為了便于工作面回采后直接頂能夠及時(shí)且全部垮落，根據(jù)8114 工作面直接頂厚度為4.95 m，確定錨索長(zhǎng)度為4.5 m，直徑為17.8 mm。

（3）錨索梁棚施工時(shí)JW 型鋼梁布置與支架頂梁平行，當(dāng)施工區(qū)域頂板凹凸不平吊棚施工后無(wú)法接頂時(shí)，應(yīng)對(duì)鋼梁與頂板之間填塞剎頂木背牢，錨索吊棚布置間排距為1.0 m，兩排錨索吊棚采用邁步式布置。

3 應(yīng)用效果

至2021 年4 月8114 工作面已回采至920 m 處，工作面已完全通過(guò)了F8斷層區(qū)。對(duì)斷層區(qū)采取注漿、錨索梁棚聯(lián)合支護(hù)后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察、單軸抗壓試驗(yàn)以及圍巖監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合支護(hù)后達(dá)到了預(yù)期圍巖控制效果。

（1）圍巖觀察。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察圍巖支護(hù)前后對(duì)比，工作面在過(guò)斷層前期圍巖破碎嚴(yán)重，煤壁片幫嚴(yán)重，煤體破碎成沙粒狀，設(shè)計(jì)割煤深度為0.8 m，實(shí)際回采時(shí)割煤后工作面回采深度達(dá)1.8 m。而采取聯(lián)合控制技術(shù)后，斷層區(qū)煤巖體膠結(jié)穩(wěn)定，煤巖體最小粒徑0.3 m，割煤后深度控制較好。

（2）單軸抗壓試驗(yàn)。為了驗(yàn)證支護(hù)前后斷層區(qū)圍巖強(qiáng)度，分別在回采前期以及加固支護(hù)后取煤巖樣，進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，加固前斷層區(qū)煤巖體施加10 MPa 壓力后，巖體已成破碎狀，當(dāng)壓力增加至15 MPa 時(shí)巖體成細(xì)沙狀；而加固后的巖體進(jìn)行抗壓試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)施加壓力達(dá)28 MPa時(shí)巖體開(kāi)始出現(xiàn)斷裂，當(dāng)壓力增加至42 MPa 時(shí)巖體出現(xiàn)破碎。支護(hù)后巖體單軸抗壓強(qiáng)度提高了2 倍以上。

（3）圍巖監(jiān)測(cè)。工作面過(guò)斷層期間分別在850 m 以及870 m 安裝頂板圍巖監(jiān)測(cè)儀以及煤壁片幫監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，在850 m 處未采取聯(lián)合支護(hù)措施時(shí)頂板下沉量達(dá)0.47 m，煤壁最大片幫深度達(dá)1.7 m；而在870 m 處采取聯(lián)合支護(hù)措施，頂板下沉量控制為0.15 m，煤壁最大片幫深度為0.5 m。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)工作面斷層區(qū)圍巖采取注漿加固，漿液完全滲透至圍巖裂隙內(nèi)，對(duì)破碎圍巖起到很好的粘接作用，有效提高了破碎圍巖單軸抗壓強(qiáng)度以及承載能力。

（2）對(duì)端面破碎頂板施工錨索梁棚能夠提高端面頂板穩(wěn)定性，防止因端面距加大造成頂板冒漏，在端面破碎頂板施工錨索梁棚可以保證支架工作阻力，防止支架頂梁鏤空出現(xiàn)倒架現(xiàn)象。