綜采工作面過斷層區域注漿加固技術應用

李永賓

（山西煤炭運銷集團盛泰煤業有限公司，山西 高平 048400）

1 工作面概況

盛泰煤礦15203 綜采工作面 （以下簡稱工作面）位于二采區的中部，東部為15202 采空區，西部相隔20 m 為準備面15204 回風順槽。南面相隔30 m 為井田邊界，北部為西翼回風大巷、膠帶大巷、軌道大巷。

工作面走向長度為2 580 m，傾向長度為200 m。工作面所采煤層為石炭系上統太原組15#煤，該煤層厚度變化不大，無突變現象，煤層結構簡單，局部褶曲現象比較明顯，但對整個工作面回采工作影響不大。15#煤含夾矸2 層，單層厚0.02～0.1 m。15#煤層頂板上部有一層夾矸，厚度0.5～1.5 m，夾矸上部有一層14#煤層，厚度0.9～1.0 m。15#煤層屬半亮型呈小碎塊狀煤，煤質較好，煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 15203 工作面回采的15#煤層頂底板巖性

工作面回采至450 m 處時位于工作面尾部揭露一條F7正斷層，斷層落差為1.4 m，斷層侵入后造成尾部三角煤柱出現破碎垮落現象。隨著工作面推進，在構造應力、回采應力作用下尾部三角煤柱預留難度大，垮落嚴重。當工作面回采至455 m處時三角煤柱垮落后造成懸頂面積達8.7 m3，局部支架工作阻力達42 MPa，局部支架出現卸壓現象。針對這一難題，經技術論證，決定對尾部斷層區域煤壁采取注漿加固技術。

2 注漿材料選取

為了防止注漿期間出現放熱反應，注漿材料采用水泥漿液，主劑為水泥，輔助劑為石灰、石膏，同時添加一定量的復合添加劑。漿液材料配比直接影響著注漿效果[1-2]，所有對注漿材料各成份必須配比合理。

2.1 復合添加劑配量

復合添加劑配量主要對漿液凝固體抗壓強度有一定影響[3]，所以為了選取合適的復合添加劑配量，對選取不同濃度的復合添加劑注漿材料凝固體進行單軸抗壓試驗，試驗結果如表2 所示。

表2 復合添加劑不同濃度大漿液凝固體單軸抗壓強度變化

通過表2 發現，復合添加劑配量在1.0%～2.0%時，隨著復合添加劑濃度增加巖體單軸抗壓強度隨時間增強，而復合添加劑濃度在2%后隨著濃度增加，巖體抗壓強度基本不變，所以選取復合添加劑濃度為2%。

2.2 水灰比確定

復合添加劑配量濃度確定后，采用DYE-300型抗壓試驗機測試對不同水灰比下漿液凝固體單軸抗壓強度，測試結果如表3 所示。

表3 不同水灰比漿液凝固體單軸抗壓強度變化

通過表3 可得，水灰比在（0.5～0.8）:1 范圍內隨著水灰比增大，漿液凝固體單軸抗壓強度逐漸降低，所以選擇水灰比為0.5:1。

3 注漿施工分析

3.1 注漿加固技術

采掘工作面圍巖在采動前處于四向應力平衡狀態，當采掘施工后受采動應力擾動影響，圍巖內部出現裂隙[4-6]，破壞了圍巖內部力學結構，減小了圍巖內摩擦角及內摩擦系數，從而導致圍巖破碎、下沉、垮落等應力顯現現象[7]。工作面斷層區域煤壁注漿加固技術利用注漿材料與圍巖共同發揮支護作用，對煤壁內部裂隙進行高壓注漿，使漿液完全滲透至裂隙帶內，一方面對裂隙帶內空氣進行排擠，起到封堵作用，防止煤體氧化[8-10]，另一方面注漿材料具有很強的黏結作用，使破碎圍巖實現二次重組，增加煤巖體間內摩擦力和內摩擦系數，改變圍巖力學結構和物理性質； 同時注漿材料凝固后形成網絡骨架，可提高圍巖抗載荷強度。

3.2 單孔注漿量

煤礦注漿施工單孔注漿量可根據以下公式進行計算：

式中：Q 為單孔注漿量，m3；R 為漿液擴散半徑，水泥砂漿擴散半徑為4.0 m；L 為鉆孔深度，工作面鉆孔深度為5.0 m，回風順槽側煤壁注漿鉆孔深度為15 m；z 為圍巖裂隙密度，取0.08；α 為注漿材料充填率，取87%；η 為注漿期間漿液流失率，取1.3。通過計算工作面單孔注漿量Q面和順槽煤壁單孔注漿量Q壁分別為：

2.3 注漿施工方案

通過現場觀察發現F7斷層對工作面走向影響長度為24 m，傾向方向影響長度為16 m，即131#～121#支架之間。故決定對工作面回采期間斷層影響區域的煤壁采取仰斜鉆孔注漿施工，對回風順槽側布置深孔超前注漿加固。

（1）注漿鉆孔布置。煤壁共計布置一排注漿鉆孔，鉆孔采用仰斜布置方式，鉆孔深度為5.0 m，直徑為45 mm，鉆孔采用50°仰斜布置。鉆孔布置在121#～131#支架前方煤壁上，距頂板間距為1.0 m，共計布置6 個注漿鉆孔，鉆孔布置間距為3.0 m。鉆孔施工完后對鉆孔內填裝一根長度為6.0 m，直徑為21 mm 的柔性棕繩，并安裝注漿軟管。回風順槽側煤壁布置一排注漿深孔，注漿孔深度為15 m，直徑為45 mm，鉆孔與頂板間距為1.5 m，鉆孔布置間距為5.0 m，共計布置4 個，如圖1 所示。鉆孔施工后對鉆孔內安裝注漿花管，采用分段式注漿工藝。鉆孔內分為注漿區和封堵區，注漿區共計三段，孔口段、中部段以及孔底段，封堵區兩段；注漿區每段長度為4.0 m，封堵區每段長度為2.0 m。

圖1 15203 工作面注漿鉆孔布置平面

（2）注漿系統及設備。工作面注漿設備主要由攪拌桶、盛漿桶、吸漿管、液壓注漿泵、卸壓閥、壓力表、混合器、截止閥、注漿管等部分組成，如圖2所示。注漿泵型號為ZBY230/25-56 型，該注漿泵最大注漿流量為210 L/min，最大注漿壓力為20 MPa。該注漿泵能夠根據注漿壓力自動調節注漿量，從而保證注漿效果。

（3）注漿工藝。注漿前將注漿設備搬運至注漿地點并與注漿孔連接好，注漿時從上風口向下方口依次注漿，注漿前必須檢查設備管理連接牢固情況以及堵塞情況，保證注漿施工通暢。注漿前必須按設計準確調節好注漿配料，并攪拌均勻，配料調制均勻后打開注漿泵進行注漿施工。注漿時將注漿壓力調制最大壓力即25 MPa，注漿一段時間后注漿壓力降低。注漿過程中應嚴格觀察煤壁漿液滲透情況，當煤壁出現漿液滲透時立即停止注漿，然后再次開泵觀察，若再次開泵煤壁同樣出現漿液滲透且與前一次時間間隔短時立即停止注漿，并清理注漿系統。

4 應用效果分析

4.1 提高了煤巖單軸抗壓強度

通過對工作面斷層區煤壁采取注漿支護技術后，漿液能夠完全滲透到斷層裂隙區內，使破碎煤巖進行二次重組，通過單軸抗壓試驗發現，注漿后的煤巖體單軸抗壓強度能夠提高至45 MPa。通過對工作面煤壁未注漿區和注漿區施工鉆孔并進行窺視發現，在未注漿區鉆孔孔口一定范圍內塌孔現象嚴重，隨著鉆孔鉆進孔壁巖體出現局部裂隙現象，孔壁出現凸凹不平，如圖3（a）所示；而采取注漿措施后窺視孔孔壁光滑，未見裂隙現象，孔壁煤巖體完整，如圖3（b）所示。

圖3 15203 工作面斷層區圍巖注漿前后鉆孔窺視

4.2 提高了圍巖穩定性

通過對工作面采取注漿支護技術后，工作面在后期回采過程中煤壁失穩現象得了明顯改善，煤壁片幫長度及深度減小了85%, 最大片幫長度不足3.5 m，片幫深度不足0.8 m，端面距縮小至0.4 m，尾部三角煤柱垮落現象得到了明顯控制，尾端頭空頂面積減小至1.6 m3。

4.3 提高了回采效率

斷層區域煤壁圍巖采取注漿加固后，支架受壓現象得到了明顯改善，支架平均工作阻力在29 MPa 左右，未出現卸壓現象；同時工作面加快了支架推移速度，回采速度由原來的1.8 m/d 提高至5.4 m/d。

5 結語

盛泰煤礦對15203 綜采工作面斷層區域采取煤壁注漿加固技術后，提高了斷層區域煤壁圍巖整體穩定性。注漿后使煤壁圍巖內部能夠形成連續的網絡骨架，具有很強的抗壓作用，有效防止了在多重應力作用下出現煤柱垮落、頂板破碎現象。注漿加固技術能夠對斷層區域煤壁圍巖起到良好的控制效果，實現了工作面安全、快速回采。