注漿加固技術在工作面過斷層中應用

趙景川

（山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業有限公司，山西晉城 048108）

綜采工作面回采期間經常遇到陷落柱、斷層、褶曲等地質構造，其中斷層是最常見地質構造之一，斷層侵入煤體后造成斷盤兩側煤體在空間上出現位移，巖體內部力學結構發生改變，構造區內形成的構造應力對煤體產生破壞作用，導致工作面揭露斷層前后時煤壁片幫、頂板破碎、順槽底鼓、巷道收縮等應力顯現現象，對工作面安全回采影響較大；所以工作面回采期間根據斷層賦層特征采取合理有效的圍巖控制技術，對工作面回采安全具有重要意義；本文以四侯煤礦3201 工作面為研究對象，對工作面過斷層期間提出了注漿加固技術，成功解決了綜工作面過斷層時圍巖控制難度大、效果差等技術難題。

1 概述

山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業有限公司3201工作面位于井田二采區，工作面東部為3202工作面，西部為井田邊界，南部為二采區運輸巷、二采區回風巷，北部為二采區西翼

3201工作面可采長度為1100m，切眼長度為185m，回采煤層為山3#層，平均厚度為2.88m，傾角為3°，煤層為黑色—灰黑色，半亮—光亮型煤，玻璃—似金屬光澤，條帶狀結構，層狀構造，階梯狀、貝殼狀斷口，條痕灰黑色，裂隙不發育，為光亮型煤。煤層賦存穩定，結構簡單，含0～3層夾矸，夾矸為泥巖，煤層裂隙不發育，進、回順槽掘進期間，都遇到不同程度的構造發育，夾矸變厚，煤層變薄等情況。煤層頂底板巖性如表1所示。

表1 3201工作面回采的3#層頂底板巖性表

3201 工作面回采區域整體地質構造相對簡單，主要以中小斷層為主，根據前期巷道掘進地質資料顯示，3201 工作面回采期間共計揭露5 條正斷層，斷層具體參數如表2所示，布置位置如圖1所示。

圖1 3201工作面斷層布置平面示意圖

表2 3201工作面斷層參數表

2 注漿加固支護技術

3201工作面揭露的5條正斷層對工作面回采影響不大，工作面過斷層時主要采用強行破巖法回采工藝，2022年6月17日、26日工作面分別揭露F1、FS3斷層，在揭露斷層期間，圍巖破碎嚴重，巷道推進難度大，所以決定對工作面過其他斷層時對圍巖采取注漿加固技術。

2.1 斷層區圍巖加固機理

斷層區圍巖在構造應力卸壓破壞作用下，煤巖體破碎嚴重，煤巖承載強度降低，工作面回采時在疊加應力作用下會進一步頂底板及煤壁煤巖體破碎程度，導致端面距加大、端面頂板垮落以及煤壁片幫等；破碎區圍巖采取注漿加固后漿液沿圍巖裂隙滲透并凝固，形成具有一定抗壓強度的連續網絡承載骨架，如圖2 所示，從而改變圍巖內部物理性質以及化學力學結構，如提升煤巖體內摩擦角和粘聚力等，達到提高圍巖穩定性的目的。

圖2 注漿后形成的網絡骨架結構示意圖

2.2 注漿材料選取

注漿材料選取水泥—水玻璃作為注漿材料，其中水泥、水玻璃作為主劑，氫氧化鈣作為速凝劑，磷酸氫二鈉作為緩凝劑，水泥采用52.5#高強度礦用硅酸鹽水泥，采用水玻璃模數為2.4～3.4，濃度為30～45°Be′，水泥與水玻璃配比為1∶1,速凝劑添加量為水泥的20%，緩凝劑添加量為水泥的3%。

2.3 注漿鉆孔布置及注漿工藝

截止2022年8月19日工作面已回采至340m，通過鉆探發現在工作面前方2～12m 范圍內逐漸揭露FS7斷層，該斷層對工作面回采影響長度為27m；根據F1斷層區圍巖破碎情況，工作面在揭露斷層期間對工作面煤壁采用淺孔注漿，在回風順槽側煤壁采用深孔超前注漿。

（1）工作面布置兩排注漿孔，孔深為5.0m，直徑為45mm，工作面布置兩排“三花”孔，上排孔布置在頂板下0.5m 處煤壁上，布置仰角為15°，下排孔布置在底板上1.5m處煤壁上，布置仰角為6°。

（2）超前注漿深度為15～30m，鉆孔布置在回風順槽側煤柱上，共計布置一排，鉆孔垂直布置，鉆孔直徑為45mm，布置間距為5.0m，第一個鉆孔超前工作面5m布置。

（3）工作面揭露斷層前2.0m 時開始對工作面煤壁注漿，注漿流量為40kg/孔，單孔注漿穩壓時間不低于10min，注漿壓力為5MPa;超前注漿孔注漿流量為75～110kg/孔，注漿壓力為15MPa。

3 注漿效果分析

為了驗證注漿后圍巖物理、化學結構改善情況，分別對注漿區施工窺視孔觀察注漿效果以及取樣對注漿圍巖進行單軸抗壓試驗，試驗結果表明：

（1）在工作面斷層區域內未注漿區和注漿區分別施工一個直徑為80mm,深度為4.0m 窺視孔，利用CHK7.2（B）礦用鉆孔成像儀進行孔壁圍巖觀察發現，在注漿前孔壁巖體成破碎結構，并存在裂隙，孔口處出現塌孔現象，如圖3（a）所示；注漿后孔壁煤巖體完整性好，無裂隙發育現象，如圖3（b）所示。

圖3 注漿前后孔壁煤巖體窺視圖

（2）分別取注漿前后相同規格的煤巖體樣塊，通過單軸試驗發現，未注漿前煤巖體單軸抗壓強度為9.5MPa，注漿后煤巖體單軸抗壓強度為28.4MPa，注漿后巖體單軸抗壓強度提高了3倍，起到了抗壓作用。

4 結語

（1）3201 工作面在過斷層期間受集中應力破壞作用，圍巖破碎嚴重，若不采取圍巖控制措施，對工作面回采影響大，造成支架工作阻力不足現象，導致頂板破碎、垮落、煤壁片幫事故發生。

（2）對3201工作面斷層區采取注漿加固技術后，能夠使為巖裂隙進行填充、封堵，注漿后形成的承載網絡骨架能夠起到抗壓、抗載荷作用，通過孔壁窺視以及單軸抗壓試驗發現，注漿后巖體增加了圍巖內摩擦角和粘聚力，改善了圍巖內部物理及化學性質。

（3）工作面在后期過F133、F134斷層時同樣對斷層區采取注漿加固技術，回采過程中未初選頂板垮落、煤壁大面積片幫事故，回采速度由原來的3.2m/d 提高至5.6m/d，由此可見注漿加固技術能夠保證工作面安全快速過斷層區，針對性強、應用效果好。