綜采工作面回采過斷層超前治理技術(shù)研究

劉 偉

（山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè)公司，山西 交城 030500）

0 引言

斷層是煤炭回采時(shí)常見、安全隱患較為突出的構(gòu)造類型，在斷層發(fā)育區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育、構(gòu)造應(yīng)力顯現(xiàn)，煤巖體硬度低[1-2]。在采面回采過斷層時(shí)，在采動(dòng)影響下會(huì)導(dǎo)致斷層活化，給煤炭回采以及巷道掘進(jìn)等帶來較大制約，采面過斷層時(shí)面臨的災(zāi)害類型包括有頂板垮落、突水、片幫等問題，為此眾多的學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)采面過斷層技術(shù)展開研究，并提出超前注漿、跳采、平推硬過、玻璃鋼（木錨桿）加固以及降低采高等多種技術(shù)措施，現(xiàn)場(chǎng)均取得一定的應(yīng)用效果[3-6]。山西某礦井田范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，以該礦31103 綜采工作面過DF29 斷層為工程背景，針對(duì)斷層有一定導(dǎo)水性、巖體裂隙發(fā)育以及影響范圍內(nèi)煤巖體承載能力差等問題，針對(duì)性提出超前治理技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后實(shí)現(xiàn)了采面安全開采。

1 工程概況

山西某礦設(shè)計(jì)開采6.0 Mt/a，批準(zhǔn)開采煤層包括有3#、5#、9#、11#及15#等，由于礦井服役時(shí)間超過50 a，淺部的3#、5#資源基本回采殆盡，現(xiàn)生產(chǎn)主要集中在9#及11#煤層。31103 綜采工作面回采11#煤層，煤層厚度介于3.6～5.6 m，均值4.2 m，設(shè)計(jì)推進(jìn)長度1 350 m，斜長240 m。11#煤層頂板巖性以砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖以及粉砂巖等為主，頂板巖層遇水膨脹、崩解，強(qiáng)度會(huì)顯著降低。

礦井回采范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)回采巷道掘進(jìn)資料顯示，在31103 綜采工作面回采范圍內(nèi)發(fā)育有DF29 斷層（H=15～18 m，155°∠65～70°），該斷層影響范圍內(nèi)煤巖體裂隙發(fā)育且有一定的導(dǎo)水性，現(xiàn)場(chǎng)施工的TD1～TD6 探測(cè)鉆孔中，除去TD2、TD5 鉆孔不出水，其余鉆孔均有少量出水情況；結(jié)合現(xiàn)有的資料判定該斷層裂隙與上覆砂巖裂隙水含水層聯(lián)通。11#煤層上覆含水水源主要為砂巖裂隙水含水層，巖溶裂隙不發(fā)育、富水性較差。DF29 斷層是制約31103綜采工作面高效回采的主要因素，因此提出超前治理措施為煤炭高效回采創(chuàng)造良好條件。采面內(nèi)斷層分布情況，如圖1 所示。

圖1 采面內(nèi)斷層分布示意圖

2 采面過斷層超前治理技術(shù)

依據(jù)31103 綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件以及揭露的DF29 斷層發(fā)育特征，在31103 綜采工作面回采過DF29 斷層期間面臨的主要災(zāi)害類型包括有：冒頂、片幫、頂板淋水等問題，導(dǎo)致采面推進(jìn)速度緩慢、頂板管理難度顯著增加。提高斷層影響范圍內(nèi)煤巖體承載能力及穩(wěn)定性、封堵斷層導(dǎo)水裂隙可為采面回采過斷層創(chuàng)造良好條件。結(jié)合以往研究成果以及采面現(xiàn)場(chǎng)情況，提出采用回采巷道超前注漿+采面內(nèi)局部注漿方式對(duì)斷層進(jìn)行超前治理，封堵導(dǎo)水裂隙降低甚至避免頂板淋水，提升注漿加固區(qū)域煤巖體承載能力，避免出現(xiàn)冒頂、片幫等問題[7-9]。

2.1 回采巷道超前注漿加固

2.1.1 超前注漿鉆孔布置

回采巷道內(nèi)超前注漿鉆孔布置，如圖2 所示。在采面運(yùn)輸巷內(nèi)布置1#～8#注漿鉆孔，鉆孔終孔均穿越DF29 斷層2 m 以上；在采面回風(fēng)巷內(nèi)布置9#～17#注漿鉆孔，鉆孔終孔均穿越DF29 斷層2 m 以上。回采巷道布置的注漿鉆孔均在巷道采面幫，開孔位于巷道頂板下方300 mm 處，終孔高于煤層頂板5 m 以上。布置的注漿鉆孔孔徑均為60 mm，鉆孔間距為20 m。選用的注漿材料長鉆孔注漿需要，注漿壓力控制在5～8 MPa。

圖2 回采巷道超前注漿孔布置示意圖

2.1.2 注漿加固材料

由于回采巷道內(nèi)布置的注漿鉆孔注漿范圍大、注漿距離長，漿液在鉆孔內(nèi)流動(dòng)時(shí)間長，加之采面推進(jìn)速度較快，對(duì)注漿材料性能要求較高。具體選用的注漿材料應(yīng)滿足下述要求：

1）注漿漿液滲透時(shí)間長，因此要求注漿材料初凝速度不能過快，注漿材料在30～40 min 范圍內(nèi)保持較好的流動(dòng)性，以便滿足漿液注入需要，在120 min 后材料強(qiáng)度、黏結(jié)能力等顯著提升，以便適應(yīng)采面回采需要；

2）注漿材料應(yīng)具備較強(qiáng)的可注性、流動(dòng)性，具體可通過增大注漿材料水灰質(zhì)量比、材料細(xì)度、降低材料黏度等方式實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)階段水泥、水玻璃等無機(jī)注漿材料均在可注性、膠結(jié)時(shí)間等有問題，為滿足31103 綜采工作面回采巷道內(nèi)超前注漿需要，注漿選用可注性好、黏結(jié)性強(qiáng)的水泥基材料，具體采用的SCJG-1 注漿材料性能，如表1 所示。

表1 注漿材料性能參數(shù)

2.1.3 采面局部注漿

在采面推進(jìn)過程中，對(duì)回采揭露的破碎頂板進(jìn)行局部補(bǔ)注漿，布置的注漿鉆孔孔深為6 m，仰角為15°～20°，開孔布置在頂板下方500 mm 處。采面回采3 個(gè)循環(huán)（回采4.8 m）后進(jìn)行1 次注漿。采面局部注漿僅針對(duì)局部頂板破碎位置，注漿覆蓋采面過DF29斷層整個(gè)過程。注漿漿液選用滿足淺孔注漿需要的SCPJG-2 復(fù)合注漿材料，注漿時(shí)將注漿壓力控制在3～5MPa。

選用的SCPJG-2 復(fù)合注漿材料包含A、B 兩個(gè)組分，A 組分顏色呈淺灰色，分散黏度、密度分別為150～300 MPa·s、1.3～1.45 g/cm3；B 組分顏色呈棕褐色，分散黏度、密度分別為200～300 mPa·s、1.1～1.3 g/cm3。具體SCPJG-2 復(fù)合注漿材料性能參數(shù)，如表2 所示。

表2 材料性能參數(shù)

2.2 斷層超前治理效果

在31103 綜采工作面回采過DF29 斷層前，在回采巷道內(nèi)對(duì)斷層影響區(qū)進(jìn)行注漿加固，注漿材料選用SCJG-1 材料；在采面過斷層期間，回采巷道超前注漿未控制區(qū)域或者局部圍巖破碎區(qū)域進(jìn)行局部注漿。對(duì)斷層進(jìn)行超前治理后，斷層破碎帶內(nèi)圍巖穩(wěn)定性及承載能力顯著提升，同時(shí)漿液在導(dǎo)水裂隙中擴(kuò)展可避免過斷層期間采面頂板淋水量大、頂板穩(wěn)定性降低等問題。注漿漿液充填斷層破碎帶煤炭體裂隙，實(shí)現(xiàn)了圍巖加固以及導(dǎo)水裂隙封堵目的。

31103 綜采工作面耗時(shí)3 個(gè)月回采過DF29 斷層影響區(qū)，期間未出現(xiàn)頂板淋水、頂板冒落或者大范圍煤壁片幫等問題，采面保持正常推進(jìn)速度。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，采用超前治理技術(shù)后，DF29 斷層影響范圍內(nèi)煤巖體保持穩(wěn)定，可為采面安全高效過斷層創(chuàng)造良好條件。

3 結(jié)語

31103 綜采工作面開采范圍內(nèi)DF29 斷層分布范圍廣、對(duì)采面影響顯著，斷層影響范圍內(nèi)煤巖體破碎且斷層裂隙與上覆裂隙含水層聯(lián)通，斷層有一定導(dǎo)水性。在采面過DF29 斷層期間面臨淋水量大、頂板管理難度高等問題。為確保31103 綜采工作面安全高效通過DF29 斷層影響區(qū)，提出在回采巷道內(nèi)向DF29斷層影響區(qū)超前注漿，在過斷層期間在采面內(nèi)向超前注漿未控制區(qū)域或者局部破碎區(qū)進(jìn)行局部注漿。

對(duì)超前注漿及局部注漿方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，31103 綜采工作面回采至DF29 斷層影響區(qū)內(nèi)時(shí)頂板及煤壁保持穩(wěn)定且未出現(xiàn)淋水情況，現(xiàn)場(chǎng)采用的超前治理技術(shù)取得較好應(yīng)用成果。