注漿加固技術在綜采工作面過斷層頂板破碎帶中的應用

閆志杰

（山西焦煤西山煤電 鎮城底礦，山西 太原 030203）

綜采工作面過斷層期間，往往會出現頂板破碎現象，頂板控制不及時會出現大面積冒頂和壓架事故，對工作面回采產生影響，必須及時有效地維護好頂板，才能快速通過斷層帶，確保安全正常生產[1]。鎮城底礦22215 工作面隨著地質條件變化，18 號～25 號支架處煤幫煤質松軟，且頂板破碎，為了防止工作面大面積漏頂，確保工作面的正常生產，對工作面采取了注漿加固[2]、加強支護等方法，有效地解決了頂板破碎問題。

1 概 況

鎮城底礦22215 綜采工作面所采的煤層為2 號和3 號煤層，中間有平均0.32 m 的夾矸，該煤層結構為1.81（0.32） 0.78，結構穩定。該工作面所采煤層厚度2.66 ～3.2 m，平均厚度為2.91 m，工作面開口前572 m 范圍內煤巖層整體呈一向斜構造，軸向為174°；開口前572 ～1 055 m 煤巖層整體呈一背斜構造，軸向為121°，兩翼煤巖層傾角為1°～17°，平均9°。工作面采用的采煤方法是走向長壁后退式一次采全高全部垮落綜合機械化采煤法。工作面所使用的液壓支架型號為ZY5600-20/42。

22215 綜采工作面回采到回風順槽37 號點前12 m，揭露了5 條正斷層，具體見表1、表2。工作面18 號～25 號架頂板破碎嚴重，嚴重影響工作面正常生產。

表1 22215 工作面煤層頂底板情況Table 1 Coal seam roof and floor situation of No.22215 Face

表2 斷層情況及對回采的影響Table 2 Fault condition and its influence on mining

2 過斷層頂板破碎帶圍巖控制技術

2.1 注漿加固

2.1.1 注漿加固原理

當綜采工作面推進至斷層段時，原巖應力重新分布，工作面頂板和圍巖更加破碎，通過對頂板和煤幫進行注漿加固，利用漿液的黏結性，將破碎松散煤體和巖層充填和膠結，從而形成了網狀的骨架結構，使得該破碎區域的煤體和巖體形成一個完整的整體，一起共同承載在過斷層回采過程中對煤體和巖體的礦山壓力，以確保綜采工作面頂板和圍巖的穩定性，確保綜采工作面過斷層期間的正?；夭蒣3]。

2.1.2 注漿加固方案

（1） 注漿壓力和漿液擴散半徑是影響鉆孔間距的主要因素，受裂隙展布影響，漿液在被注漿體中在各個方向的擴散距離并非均勻的，其與注漿煤巖體孔隙、注漿壓力和注漿材料性能密切相關。根據現場的實際情況，注漿地點供風能力不低于3 m3/min，供風壓力不小于0.5 MPa，注漿壓力不小于4 MPa，該條件下漿液在普通裂隙開度和孔隙率下的擴散半徑約為1 ～1.5 m，則確定注漿孔間距為3 m。

（2） 根據工作面頂板巖性分析，直接頂1 號煤及以下為頂板易破碎區域，1 號煤及以下頂板厚度約為0.52+2.38+0.7=3.6 m，根據擴散半徑約為1～1.5 m，在工作面頂板下方0.8 m 處布置一排注漿加固鉆孔，鉆孔深度為6 m，角度為斜向頂板30°，注漿膠結范圍為6×sin30°- 0.8+1.5=3.7 m，覆蓋了整個破碎區域，能夠有效地對頂板破碎區域進行注漿加固，最終則確定鉆孔深度為6 m。

（3） 最終注漿加固方案為，22215 工作面18號～25 號支架頂板、煤幫，距2 號煤頂板0.8 m，每3 m 布置1 個注漿孔，同時注漿孔呈一條直線，注漿孔孔深6 m，直徑43 mm，注漿孔封孔深度為1.5 ～2 m，注漿孔仰角為30°，具體如圖1 所示。

圖1 鉆孔布置示意Fig.1 Arrangement of drilling holes

2.1.3 注漿加固工藝

施工前的準備及安全檢查—儀器連接—鉆孔—注漿和封孔—清洗。

（1） 鉆孔使用MQT-120 型風動鉆機，使用兩翼金剛石錨桿鉆頭（直徑42 mm），六角中空鋼鉆桿（直徑26 mm），鉆機必須一備一用。六角中空鉆桿長度選用1.0 m、1.5 m，鉆孔時2 種長度鉆桿交替使用，必須根據設計的鉆孔位置及要求進行鉆孔，同時必須確保鉆孔的深度及鉆孔的角度。

（2） 鉆孔打好后，將四分管插入鉆孔內，將四分管、混合三通、A、B 注漿材料吸料管連接好，檢查連接無問題后，開始開啟注漿泵進行注漿，注漿開始時，將吸料管分別插入到A、B 兩種注漿加固材料的桶中，利用活塞泵將兩種注漿材料液體通過高壓軟管1：1 壓送到注射槍里進行混合，混合液體在高壓下通過管路輸送到需要加固的區域。

（3） 注漿開始后，經過一段時間的反應，當第一個孔有注漿材料溢出后，換到第二個孔開始注漿，當有注漿材料在注漿擴散半徑內多次溢出后停止注漿，采用專用的封孔器對鉆孔進行封孔。

（4） 用樹脂沖洗完注漿管路和混合槍后，對下一個鉆孔進行注漿。

（5） 直至所有鉆孔注漿全部結束后，采用機油清洗注漿泵和注漿管路。

2.2 加強支護

（1） 工作面揭露的斷層處頂板破碎，采取鋪網上圓木方法，每推進一個循環，上一道圓木，頂板破碎嚴重上圓木同時改鋪雙層網維護。鋪網用10 號菱形金屬網，金屬網規格為0.8 m2×10 m2，圓木采用φ200 mm×3 m。人工使用“L”型聯網鉤聯網，聯網絲為300 mm 長的14 號鐵絲。

（2） 鋪圓木五人一組進行操作，一人操作支架，降架待頂板穩定后一人先進入煤壁機道檢查頂板情況確認安全后，三人將圓木抬起穿入支架頂梁端往里0.3 m 處，把圓木與金屬網捆好后方可升架，升架時除操作支架人員外其他人員撤離到前后5 架以外的支架行人通道，否則嚴禁升架。

（3） 鋪網上圓木作業持續至工作面通過斷層正?；夭伞?/p>

3 應用效果

（1） 對工作面頂板破碎帶進行注漿加固，應用后工作面頂板及圍巖控制較好，現場煤體固化效果好，完整且具有一定的強度，工作面煤壁未發生片幫，頂板未發生冒落，工作面推進穩步加快，同時應用鋪網上圓木等加強支護方法，快速地通過工作面頂板破碎帶，提高了工作面生產效率，確保了生產任務的完成。

（2） 通過現場觀察圍巖支護前后對比，工作面在過斷層前期圍巖破碎嚴重，煤壁片 幫嚴重，煤體破碎成沙粒狀，設計割煤深度為0.8 m，實際回采時割煤后工作面回采深度達1.8 m。而采取注漿加固、加強支護后，斷層區煤巖體膠結穩定，煤巖體最小粒徑0.3 m，割煤后深度控制較好。

（3） 同時在對注漿前后工作面割煤煤時間進行統計，通過圖中數據可以看出，工作面采用注漿加固技術后，順利通過頂板破碎帶的同時，割1 刀煤時間由注漿前的最長180 min 縮短至工作面正常時的90 min，工作面割煤效率也逐漸提高，確保了工作面正常的生產任務的完成（圖2）。

圖2 22215 工作面注漿前后每刀煤割煤時間對比Fig.2 Comparison of coal cutting time per knife before and after grouting in No.22215 Face

4 結 論

（1） 通過對工作面斷層頂板破碎帶圍巖采取注漿加固，漿液完全滲透至圍巖裂隙內，對破碎圍巖起到很好的粘結作用，有效提高了破碎圍巖強度以及承載能力。

（2） 對頂板破碎帶實施加強支護，有效提高了頂板破碎帶頂板的穩定性，防止造成冒頂事故，同時可以防止支架頂板漏空出現倒架現象。

（3） 針對工作面斷層頂板破碎帶，采用注漿加固、加強支護等高效率的技術，提高了工作面圍巖強度，快速通了斷層頂板破碎帶，提高了工作面生產效率，保證了工作面正常生產任務的完成。