探究采礦工作面過斷層破碎帶注漿加固技術

摘 要：為了能夠讓工作面快速安全地穿過斷層破碎帶，使用馬麗散這種復合材料對較為高檔的普采工作面的破碎頂板進行提前加固操作，相比于上鋼梁、導硐施工或者是做假頂等傳統技術，這種運用復合材料進行注漿加固可以有效地減免頂板圍巖的垮落，并且能夠為搭建工作面單體支護爭取時間和空間，安全高效地對頂板進行管理。該加固技術的施工工藝易于操作，并且具有顯著的技術經濟利益。

關鍵詞：工作面;斷層;注漿加固技術;馬麗散

斷層的出現會導致工作面頂板或者圍巖破碎等難以控制等狀況，通常會造成冒頂甚至壓死支架的嚴重事故，最終導致工作面不能正常開采，降低工作生產效率。只有解決頂板圍巖的相關問題，才能在工作面斷層正常開采。本文作者以陽煤一礦81210工作面過斷層的問題作為實際案例進行探索研究。提出采取保留底層煤層過斷層的策略，并根據將上盤頂板巖層進行切割的方法，將馬麗散注入到頂板破碎位置，有效解決工作面出現頂板碎片的問題。

1 工作面概況

81210工作面所處位置為15#煤層，穩定性較高，但是其結構相對復雜，并且含有夾矸7層。具有6.6 m煤層厚度，2°至4°煤層傾角。基本頂由礫巖和中砂巖互層組成，所對應的直接頂是4.98 m泥巖及砂質泥巖構成。老底由厚度為7.5m的粗砂巖組成;厚度為4.1 m的高嶺巖作為直接底。81210工作面煤層可以歸屬于單斜巖層，常規來講東南位置較低，反之，西北位置相對高一些，整體來說，其坡度相對平緩，而回采區域巖層的結構相對簡單，頭順槽巷在掘進過程中揭露正斷層共計8條，結果見表1。對比發現F2斷層的位置處于回采區，其長度為190 m，與之對應的傾向為SE，走向為175，大致與工作面在一條直線之上，所以工作面只可以應用正過。綜上，F2斷層是對工作面影響最大的，由此以F2斷層為參考目標，探究工作面過斷層的技術和工藝。

2 注漿加固技術

2.1 注漿加固技術機理

當工作面靠近斷層所在位置時，斷層巖層可能會發生破損，應力會再次進行分配。會出現圍巖層不穩的狀況。斷層的存在也會導致圍巖破碎地更為劇烈，使工作面頂板破碎的更為嚴重。工作人員就可以在破碎煤巖體進行注漿操作，巖漿就可以通過圍巖間的裂隙進行擴散。隨后，煤體和巖體產生膠結，煤巖體強度得到一定提升，致使注漿區域的力學強度有效提高。

2.2 注漿材料的選擇標準

馬麗散具有良好抗滲透性能，可提高注漿區域的力學強度。注漿時可選擇馬麗散作為注漿材料，將樹脂材料和催化劑以1：1比例完全混合后，漿液的粘度會有所下降，能夠沿著巖體裂縫進一步擴散。馬麗散具有較短的凝固時間，可以短時間內大幅度提高煤體的支撐強度。選擇馬麗散注漿操作的原因是：①操作工藝簡單易行。多功能注漿泵的體積較小，且重量較小，一般兩人操作即可;②注漿前，無須進行噴漿來封閉巷道幫頂;③對專用封口器應合理設計，使封口操作簡單且節約時間;④注漿原料（馬麗散樹脂與催化劑）均用塑料桶進行包裝，便于搬運和施工。

2.3 過斷層方法

2.3.1 制定工作面過斷層方案

圖1可知，斷層最大落差是4.0 m，工作人員須在現場對過斷層進行上盤頂板巖層切割操作，由斷層的具體方法選擇性地對底板煤層進行保留。因為F2斷層對工作面回采工作有較大影響，而該斷層可歸于貫穿工作面范疇，走向角度和傾角角度分別為175°和78°。可依照以下公式對支架起坡點位置進行計算：L1=H（1/tanβ-1/tanα），L2=L1- tan/M，其中H為斷層斷距（m）;M：工作面采高（m）;β：起坡角度（°）;α：斷層傾角（°）。經計算：L1為26.3 m，L2為24.1 m。由此可知應將工作面的支架起坡點放置于頂板所處的位置，同時應當距離斷層面約為27m。

2.3.2 注漿方案

通過分析81210工作面煤壁和相應頂板上的注漿孔分布與參數，在煤壁與頂板之間進行注漿操作。工人可在距離斷層20 m位置注漿操作，保障工作面開采效率。①對工作面煤壁和與之相對的頂板分析，能夠在煤壁與頂板之間進行注漿操作，注漿孔的深度可達到6m，孔徑可達到42mm以上。和封孔器相對應的封孔位置可距離孔處范圍為1.5m至2m。可以在工作面位置上進行雙排鉆孔，高效改善注漿效果。兩排鉆孔距離工作面頂板和底板位置分別為1m和2m。其中，第一排孔與水平位置的設置為15°，第二排孔仰角設置為5°;②由于馬麗散具有良好的滲透性，其注漿半徑可達到2.5m，當完美實現注漿效果時，可把注漿孔的間距設定為4 m，并且兩排孔以倒三角形進行排列;③實踐證明，保證注漿效果關鍵在于準確保證漿液注漿量。實踐經驗表明，單孔注漿量設置為410kg時，還須間歇進行注漿;④適當提高注漿壓力使注漿效果顯著提升。不合適的壓力會造成劈裂、減小漿液擴散半徑等事故。經過實踐和查閱相關文獻可以發現，注漿壓力壓強的范圍為：12 MPa到14MPa。

2.3.3 現場注漿效果

為了解注漿后工作面頂板煤巖體位置的具體破損情況，筆者利用鉆孔窺視儀對注漿前后變化情況認真觀察。裂縫經注漿后，其硬度加強，工作面位頂板位置的漿液固結性能較好，對破碎的危巖體裂紋進行填充，起到加固的良好效果。工作面頂板由砂、泥巖組成，其輕度較低，通常會影響到斷層，會產生冒頂甚至壓死支架的情況，要依靠注漿操作來改善。

3 實踐分析

工作面過斷層頂板破碎較為嚴重，甚至出現冒頂及壓死支架等情況，所以在現場進行切割上盤頂板巖層這項操作。在分析81210工作面狀態后，以注漿加固原理為基礎，本論文作者在注漿時利用馬麗散樹脂，且選取適當的注漿參數，實現對頂板破碎位置加固。對比注漿前后頂板工作面的狀況，注漿操作增加頂板的穩定性。注漿操作有效提升斷層位置的力學性能，為過斷層階段提供安全性保障。

綜上所述，實踐證明使用馬麗散這種新型的化學加固材料和響應的加固技術，及時對松散的圍巖結構進行加固，從而對巖體的整體強度有所增強。提高施工的安全性與可靠性，增加割煤速度，保證工作面的循環效率;可應用于煤礦采煤工作面存在異常情況。該技術還可應用在煤炭生產過程的其他步驟，例如：采煤片幫或冒頂這種頂板破碎嚴重的情況。所以，使用馬麗散樹脂及相關加固技術被大力推廣，不僅對安全有所保障，減少因瘦斷層或者頂板破碎對采煤工作出現停產，跳面或者搬家的影響生產的緊急狀況，還能夠節省時間，提高生產效率和經濟效益。

參考文獻：

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作者簡介：

徐衛華（1977- ），男，本科，采礦助理工程師，陽煤中小企業投資管理集團第一有限公司總經理。