回采工作面過斷層超前治理技術研究

郭 順

（汾西礦業兩渡煤業，山西 靈石 031302）

引言

斷層是影響礦井生產安全的主要不利因素之一，在斷層影響范圍內構造應力發育、煤巖體破碎[1-2]。隨著采掘作業面與斷層距離縮短，采掘引起的超前支承壓力與原有構造應力疊加，會進一步增加斷層影響范圍內煤巖體破碎程度，從而導致采掘作業面出現頂板冒落、煤壁片幫等問題[3-5]。為此，眾多的研究學者對回采工作面過斷層技術展開研究，其中朱硯秋等[6]對煤炭回采對斷層活化影響進行分析，發現斷層界面內垂向應力分布隨著采面推進呈現先增降后增趨勢；孟召平等[7]對斷層斷裂結構對采面頂板穩定性影響以及礦壓分布情況等進行分析；呂兆海等[8]綜合使用相似模擬、數值模擬技術手段對斷層上下盤移動規律、變形破壞特征等進行分析，并針對具體工程實例提出通過預注漿方式強化斷層影響范圍內煤巖體強度，從而確保回采工作面安全高效回采。

山西某礦回采范圍內地質構造發育，大型斷層周邊次生小斷層更為發育。現階段礦井回采工作面過斷層時多采用被動方式進行處理。當揭露的斷層落差較小時，僅在回采期間出現頂板冒落或者煤壁嚴重片幫等情況時，方可采用注漿方式對頂板、煤壁等進行處理，采用此種處理方法不僅會增加斷層處理耗時且多在采面內采取治理措施，影響煤炭回采安全。如礦井31105 綜采工作面正常回采速度為4.8 m/d，而在在過DF12 斷層（H=2.6 m，35°∠156°）時受到圍巖破碎影響，推進速度僅為1.1 m/d，嚴重影響礦井生產。

1 工程概況

31107 綜采工作面回采11#煤層，在采面回采區域內煤層厚度1.9 m～6.8 m，均值4.5 m，傾角10°。根據巷道掘進揭露以及已有地質資料顯示，在31107 綜采工作面回采范圍內發育有DF113（H=3 m，48°∠60°）斷層、DF114（H=2 m，75°∠60°）斷層、DF116（H=3 m，18°∠60°）斷層等，斷層會給采面回采帶來一定制約。為此，依據31107 綜采工作面現場實際情況，提出通過預先采用超前治理措施對斷層影響區進行治理，以便降低斷層給煤炭回采影響，提高礦井生產效率。

2 超前治理技術

超前治理就是依據斷層、采面工作面賦存情況，并分析斷層影響范圍，通過采用超前鉆孔對斷層影響范圍內破碎煤巖體進行注漿加固，從而為采面高效平穩過斷層創造良好條件。依據31107 綜采工作面布置、開采煤層情況以及回采范圍內斷層賦存情況，提出在回采巷道內布置采用長鉆孔對斷層影響區進行超前注漿加固，實現斷層超前治理。

2.1 超前注漿鉆孔布置

在31107 綜采工作面回風巷內通過布置長鉆孔對斷層影響區域內進行超前加固，實現斷層超前治理。回采巷道內長鉆孔布置采用平行遞進式，具體在采面斷層影響區內，即采面1 057 m～1 142 m 范圍內，按照3 m 間距施工2 排孔徑42 mm、孔深4 m 鉆孔，鉆孔內注漿壓力確定為4 MPa，避免后續注漿漿液從巷道表面外溢。

在斷層影響范圍內布置淺孔、中孔以及深孔，鉆孔孔徑統一為94 mm，淺孔、中孔以及深孔深度分別為30 m、80 m 以及120 m。鉆孔按照平行遞進方式布置，具體布置情況如下頁圖1 所示。注漿材料選擇無極復合材料，該材料具有膠結時間可調、注漿效果好以及膠結期間不出現高溫等優點。

圖1 超前注漿鉆孔布置示意圖

2.2 注漿設備

在31107 綜采工作面回風巷內布置注漿鉆孔對斷層影響區內破碎煤炭體進行加固，由于鉆孔注漿距離長、注漿壓力大以及注漿材料泵送量大，因此，對采用的注漿設備有更高要求。應依據現場需要以及采用的注漿材料合理的注漿設備，具體在確定注漿設備是應遵循下述要求：注漿泵功率應與鉆孔注漿量相匹配；鉆孔注漿流量應與注漿壓力相匹配；注漿壓力與注漿距離相匹配；注漿材料攪拌機功率與材料上料效率相匹配。依據井下現有的注漿設備并結合現場試驗結果，最終選擇采用注漿泵技術參數，如表1 所示。

表1 注漿泵技術參數

2.3 鉆孔封孔

注漿鉆孔封孔質量直接影響斷層超前治理效果。鉆孔封孔采用兩堵一注，具體如圖2 所示。封孔用專用耐高壓囊袋，在封孔位置以及距離孔口0.2 m 處分別布置囊袋，通過囊袋上的注漿孔向封孔區域內注入封孔材料，待囊袋另一膠管出現返漿時即扎牢返漿管向持續進行注漿，直至封孔壓力達到1.5 MPa～2.0 MPa。

圖2 注漿鉆孔封孔示意圖

3 超前治理效果分析

在31107 綜采工作面回風巷向斷層構造影響區內綜合使用帷幕鉆孔、注漿鉆孔（淺孔、中孔以及深孔）對斷層影響范圍內進行注漿加固，提高斷層影響范圍內破碎煤巖體強度及整體穩定性。在超前治理區，布置9 個淺孔（孔深30 m）、9 個中孔（孔深120 m）以及9 個深孔（孔深120 m），現場共計注入50 t 無機復合材料。

對斷層進行超前治理后，為探測超前治理效果，在加固區域內施工探測鉆孔并通過YZG12 鉆孔成像系統對斷層影響區注漿加固效果進行分析。在超前注漿加固前，鉆孔鉆進至斷層影響區內時，鉆孔孔壁裂隙發育、成孔較為困難；超前治理之后，鉆孔鉆進較為容易、孔壁光滑且基本不出現塌孔情況。31107 綜采工作面回采至斷層影響區內時，采面煤壁以及頂板等均未出現片幫、冒頂等情況，表明采用的斷層超前治理技術取得較好成果。具體采面過斷層影響區時注漿漿液在破碎煤巖體內擴散情況，如圖3 所示。

圖3 破碎煤巖體內注漿漿液擴散情況

4 結語

31107 綜采工作面回采范圍有多條斷層，若不對斷層進行超前處理，采面回采至斷層影響區內不僅面臨較大的頂板冒落、煤壁片幫風險，而且推進速度較慢，影響礦井生產。為此，提出對斷層進行超前治理，具體在采面回風巷內綜合采用帷幕注漿、淺孔、中空以及深度對斷層影響區域內進行全范圍加固，通過高壓注漿提高斷層影響區破碎煤巖體強度以及穩定性，從而給采面回采過斷層創造良好條件。

對斷層影響區進行超前治理后，采面回采過斷層期間煤壁及頂板始終保持穩定，采面推進速度仍可保持4.8 m/d，實現了安全高效回采。