采煤工作面過斷層超前治理技術研究

任芯瑤

（山西汾西正旺煤業有限責任公司， 山西 孝義 032300）

隨著礦井開采強度以及開采范圍等不斷增加，煤炭賦存地質條件更趨復雜，開采過程中揭露的斷層、褶曲以及陷落柱等地質構造更為頻繁[1-2]。斷層是煤炭開采時最為常見構造類型，斷層發育范圍內地層連續性以及賦存穩定性等遭到破壞，構造應力發育，采煤工作面推進至斷層影響范圍內容易出現冒頂、片幫以及瓦斯異常涌出等不良情況，給煤炭生產安全帶來制約[3-5]。山西某礦開采范圍內煤層賦存條件復雜，現階段開采深度已達到500 m，在開采范圍內發育的斷層會給采面生產帶來制約。為此，文中就以31105 采煤工作面過斷層為例，對采區的斷層超前防治技術展開研究。

1 工程概況

山西某礦31105 采煤工作面設計走向長、傾向長分別為1 560 m、242 m，開采的11 號煤層埋深平均500 m，煤厚3.5～6.2 m（均值4.7 m）、傾角5°～13°（均值10°），11 號煤層頂底板巖性以粉質細砂巖以及砂質泥巖、泥巖為主。

根據巷道揭露及已有物探（CT 探測）資料顯示，在采面開采范圍內發育有6 條斷層，其中對采面生產影響較為突出的斷層包括有F16、F28 以及F29 斷層。為確保采面安全高效通過斷層影響區，提出采用超前注漿方式對斷層進行處理，從而提高斷層帶內巖體穩定性。

2 超前注漿加固處理技術方案

2.1 注漿加固材料

采煤工作面過斷層時采取超前注漿可提高巖體穩定性，斷層注漿加固效果與注漿材料選擇有密切關聯。為提高斷層破碎帶巖體穩定性，選擇使用的注漿加固材料應能滿足下述要求：

1）注漿材料應具備有較強的流動性且膠結時間應可依據需要進行調整，從而提高注漿漿液擴散范圍以及注漿加固距離。

2）注漿漿液與斷層帶內破碎巖有較強的粘結性及膠結性，同時膠結后的巖體抗壓以及殘余強度等較高。

3）注漿加固材料應具有環保、經濟以及阻燃等特點[6-8]。

根據現場注漿需求，在對采面回采揭露的斷層進行超前處理時選擇采用新型無機復合材料。采用的新型無機復合材料膠結后24 h、7 d 以及28 d 時材料抗壓強度可達到25 MPa、42 MPa 以及56 MPa，與斷層破碎帶內破碎煤巖膠結40 h 后膠結體強度可增至20 MPa。具體注漿材料性能曲線見圖1 所示。

采用的新型無機注漿材料具有較高的殘余強度，同時在注漿材料內加入的纖維可提高破碎煤巖體膠結穩定性并提升殘余強度。

選用的注漿漿液粒度小、流動性好，在裂隙發育區內注漿時漿液有效擴散半徑可達到10 m 以上；注漿材料具有的可注性好，材料凝結時間可控制，初凝、終凝時間分別為5.5 h、8.0 h，注漿材料初凝時間長，可滿足長距離、大流量以及長時間注漿需求；材料析水率0、水灰比低，可降低水對圍巖強度影響。

2.2 注漿加固方案

采面揭露斷層超前處理采用帷幕注漿方式，帷幕注漿鉆用2ZBQ-11/15 注漿泵，注漿壓力2～3 MPa；鉆場內注漿孔用ZBY1.5/32-22 注漿泵，注漿壓力15～20 MPa，注漿孔孔徑94 mm。現場注漿時應根據現場條件、注漿需要，調整注漿參數，同時每臺注漿泵配2 個攪拌桶，避免注漿中斷。

在采面軌道巷、運輸巷合適位置布置鉆場，在鉆場內按照扇形布置鉆孔，其中軌道巷、運輸巷鉆場內鉆孔數量分別為9 個、8 個。鉆場內鉆孔在距離鉆場頂板下方2.0 m 位置開孔，鉆孔開孔間隔均為1.0 m。

2.3 鉆孔封孔

注漿孔封孔質量與注漿效果有密切關聯，為此采用“兩堵一注”封孔方式，封孔長度可依據現場實際情況確定，建議封孔長度控制在10 m 以上。待注漿鉆孔施工完畢后及時進行鉆孔封孔，具體鉆孔封孔見圖2所示。

圖2 鉆孔封孔結構示意圖

封孔時先向鉆孔內下方注漿鋼管（DN25），里側花管、外側實管，通過壓注特效水泥方式進行封孔。注漿孔孔徑d1=113 mm，封孔采用的注漿鋼管外徑d2=33.5 mm，封孔長度l=10 m，封孔使用的囊袋間注漿壓力在P1=1.5 MPa 以上，注漿鉆孔最大注漿壓力P2=20 MPa，封孔摩擦系數μ=0.2～0.3。采用的封孔方式提供的摩擦力f 可通過下述公式計算：

經計算得f=1 065 kN。

注漿時給封孔結構產生的反推力F 可通過下述公式計算：

經計算得F=137 kN。

封孔安全系數K=f/F=7.8，安全系數可滿足長距離注漿需求。

3 現場注漿效果分析

在31105 采煤工作面過斷層前在回采巷道內布置長距離鉆孔對斷層影響范圍內進行超前助理，可提高采面過斷層安全保障能力。具體超前注漿加固后采面揭露斷層破碎帶煤巖體加固情況見圖3 所示。通過對斷層進行超前處理，采面在回采期間可保持4.8 m/d推進速度，耗時23 d 即可通過斷層影響區，期間未出現頂板冒落、煤壁片剛等不良情況，效果顯著。

圖3 斷層破碎帶煤巖體加固情況

4 結論

1）采煤工作面回采過斷層時面臨推進速度緩慢、頂板冒落以及煤壁片幫等多重問題影響，給礦井回采安全帶來一定制約。通過對斷層進行超前治理，可為采面高效過斷層創造良好條件。為此，提出在31105采煤工作面回采巷道內向斷層影響范圍內進行長距離注漿加固，注漿加固不會給采面正常回采帶來影響。

2）依據現場實際情況，合理確定注漿加固材料并設計注漿加固方案。現場應用后，31105 采煤工作面過斷層期間未出現冒頂、片幫等不利情況，同時采面回采速度仍可保持4.8 m/d。