大采高工作面過斷層深孔注漿加固技術研究

趙春波

（山西晉煤集團趙莊煤業有限責任公司，山西 晉城 048000）

趙莊礦3310大采高工作面在推進過程中遇到斷層等構造區，由于斷層落差大、走向長等原因，造成斷層面兩側煤體高度落差大，影響范圍廣，且斷層面附近煤巖體十分破碎，因此工作面支架在傾向上穿過斷層面及附近區域以及揭露頂部煤時，極易發生片幫、冒頂事故，造成工作面停采。因此，為保證趙莊礦3310大采高工作面安全高效地通過斷層構造區，先對工作面斷層進行位置確定、設計支架上抬參數以及鉆孔布置，通過深孔注漿加固斷層破碎區域，防止片幫、冒頂事故的發生。

1 工程概況

趙莊礦3310工作面位于礦井西翼盤區，主采3#煤層，工作面走向長度962m，傾向長度250m，平均煤厚4.70m，煤層平均傾角3.1°，采用綜合機械化開采。工作面布置33101膠帶運輸順槽、33102回風順槽和33103輔助運輸順槽。

該工作面斷層較為發育，根據順槽揭露情況和地測結果，在工作面回采至470m處揭露DF97斷層。斷層傾角約為73°，落差0～6m，走向影響范圍為回采進度470～630m，傾向影響范圍為工作面中部至機尾。具體工作面布置和斷層分布情況見圖1。

圖1 工作面布置及斷層位置

2 斷層位置確定及注漿鉆孔設計

為更好地掌握斷層具體位置，確定煤層揭露情況，及時調整液壓支架上抬角度預防片幫、冒頂事故，合理確定注漿鉆孔參數，優化注漿效果，從而起到更好的加固作用，先利用鉆探方式確定斷層位置。在33101巷回采進度625m、575m、525m、475m處共布置4個關鍵探孔判斷斷層揭露情況，編號為1～4#，具體探孔位置見圖1。根據鉆探揭露情況，繪制工作面揭露斷層剖面圖，同時根據剖面圖確定工作面機采高度范圍，從而進一步進行注漿鉆孔布置。注漿鉆孔首先根據探孔位置設計，再依次設計其余注漿鉆孔。

工作面上抬設計的目的：由于斷層影響，工作面煤體出現落差，支架必須起坡以從上盤煤進入下盤煤中（如圖2所示），因此必須掌握工作面在傾向上的布置，明確機采高度范圍，從而為注漿區域、布置注漿鉆孔提供依據。設計應把握以下原則：（1）支架上抬應盡量大，要求盡量少支架在斷層影響區域，但不能超過10°；（2）應能盡量多回收煤炭；（3）鉆孔長度超出斷層面一定距離。

鉆孔設計原則：根據探孔情況，為避免鉆孔過深，不利于施工，在33101巷幫和33102巷幫開孔，其中回采進度470～520m處在33102巷幫開孔，回采進度520～630m處在33101巷幫開孔。設計上、下兩排鉆孔，上、下排鉆孔間距10m，孔徑均為75mm。下排孔開孔高度距離底板1.1m，下排孔終孔位置在機采高度范圍，下排孔設計深度應進入下盤煤10m；上排孔開孔高度距離底板2.0m，上排孔設計深度應至少超過斷層面10m，上排孔終孔位置在機采高度上方1m左右的頂板內。以2#探孔位置為例，具體工作面上抬設計及深孔注漿鉆孔布置見圖2。

圖2 上抬設計及深孔注漿鉆孔布置圖

鉆孔布置：實施范圍為回采進度470～630m，合計160m長度。由于斷層變化連續，以4個鉆探孔為關鍵孔，依次進行所有鉆孔設計。上排鉆孔與下排鉆孔間距均為10m，共設計35個鉆孔，孔深60～125m。兩條順槽鉆孔布置相同，鉆孔設計平面圖如圖3所示。

圖3 注漿鉆孔布置平面圖

3 注漿材料及注漿參數選擇

超前深孔注漿工程特性：

（1）鉆孔深度大。漿液應具備良好的流動性，以滿足充分擴散的要求，同時具備良好的懸浮性，避免漿液擴散過程中水、料分離；

（2）裂隙發育程度低。超前工作面注漿，裂隙開度相對較小，貫通性較差，注漿材料應超細化，以使材料顆粒進入微小裂隙，同時應配合高注漿壓力劈裂注漿；

（3）時效性要求高。綜采工作面回采速度快，超前注漿數天后工作面進入注漿區域，要求注漿材料具備較高強度，因此注漿材料需要滿足強度快速增長的要求。

針對超前深孔注漿工程特性，河南理工大學研發了超細水泥單液注漿材料。材料細度1250目，使用水灰比0.6:1。材料加水攪拌后，40～60min內流動性較好，不泌水，之后逐漸稠化，2～3h完全失去流動性，約10h完全固化，之后強度快速增長，1d抗壓強度16MPa，3d抗壓強度26MPa，7d抗壓強度32MPa。

合理注漿時機：根據現場試驗情況，工作面前方55m以外裂隙不發育，注漿困難且作用較小，認為超前支承壓力區注漿能夠取得最好的效果。在壓力作用下，裂隙適度張開，提高了可注性，而工作面前方0～20m施工時間緊張，且工作面側漏漿問題突出，因此認為工作面前方20～55m為合理的注漿區域。通過現場試驗進一步確定在工作面前方25～45m注漿為合理注漿時機，注漿跟隨工作面回采進行。

注漿壓力：最大注漿壓力以能劈裂微小裂隙為宜，根據巖石巖性物理力學參數分析和現場試驗，最大注漿壓力25～30MPa，最終注漿壓力應達到25～30MPa。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

共施工35個鉆孔，實際鉆孔進尺3500m，注漿材料消耗量129.5t，平均單孔注漿量3.5t，最大單孔注漿量10t。

4.2 效果考察

工作面正常回采速度3m/d。工作面進入斷層影響區之后，進入注漿區域前50m，工作面共發生3次片幫、冒頂現象，片幫深度1.5～2.5m，冒頂高度1～3m，連續架次超過8架，對回采造成嚴重影響，消耗大量時間處理冒頂，工作面平均回采速度0.88m/d，如圖4（a）所示。進入注漿區域后，工作面未發生冒頂，最大片幫深度0.5m，連續架次不超過3架，回采順利，平均推進速度2.5m/d，如圖4（b）所示。

圖4 工作面各區域片幫、冒頂情況

5 結論

（1）斷層分布預測及注漿鉆孔布置。選取關鍵鉆探孔，預測下盤煤位置，確定支架上抬設計和機采高度范圍。設計兩排注漿鉆孔，下排孔終孔位置在機采高度范圍，上排孔設計深度進入頂板5m，并依次對35個鉆孔進行了參數設計。

（2）注漿材料選擇。深孔注漿材料選用超細水泥單液注漿材料，具備超細、流動性好、強度增長快的特性。堵漏材料選用雙液注漿材料，具備快速失去流動性、快速堵漏的特性。兩種材料交替使用，實現注漿量最大化。

（3）合理注漿時機為工作面前方25～45m。工作面前方0～20m施工時間緊張，漏漿問題突出；工作面前方55m以外裂隙不發育，注漿困難且作用較小；工作面前方20～55m為合理的注漿區域，通過現場試驗進一步確定為工作面前方25～45m。

（4）注漿效果考察。工作面進入注漿區域前，發生3次對回采影響較大的片幫、冒頂，冒頂高度1～3m，平均推進速度0.88m/d；進入注漿區域后，未發生冒頂，工作面推進速度2.5m/d。