超前注漿加固技術在綜放工作面過斷層中的應用

高 偉

（山西晉煤集團坪上煤業有限公司，山西 沁水 048200）

中小型斷層會對礦井工作面回采產生較大影響，導致煤質變差、回采率降低，并影響煤炭產量[1-4]。在目前的煤炭形勢下，采取粗放的回采管理模式已經不能滿足對煤質、安全和生產效率的要求。因此對斷層進行注漿加固改造成為了一種主流的應對方式。在目前采用的注漿材料中，普通水泥因為細度、材料性質等問題難以滿足要求，效果欠佳。因此，尋找優質注漿材料，采用合理的注漿工藝，有效提高煤巖體強度，成為斷層注漿加固的關鍵問題。

1 工程概況

坪上煤礦11040 工作面位于一水平11 采區，主采二1 煤層，平均煤厚4.85m，平均傾角5°。工作面走向長1150m，傾向長155m，采用綜采放頂煤開采方法，全部垮落法管理頂板。切眼采高2.8m，放煤高度1.5～2.9m。工作面下巷在掘進過程中揭露1條正斷層DF15，落差4.8m，傾角80°，對回采產生較大影響。下巷揭露斷層位置為切眼向外170m處，斷層尖滅端預計位置為工作面向外350m 處。

2 斷層位置探查及注漿鉆孔設計

2.1 斷層探查

本次斷層注漿加固的首要問題是對斷層的準確探查，只有準確掌握了斷層位置，才能在確定工作面機采高度的基礎上，對注漿孔參數進行設計，確保注漿鉆孔能夠進入需要加固的層位，起到較好的注漿效果。在11040 工作面形成系統之后，首先對該工作面進行了地震槽波勘探，在地震槽波結論的基礎上，在下順槽設計了鉆孔對斷層進行探查。探查情況如圖1 所示。

圖1 DF15 斷層探查示意圖

2.2 注漿鉆孔設計

通過鉆孔準確地探查斷層斷盤位置和煤層分布情況，按照探查情況進行注漿加固鉆孔的設計。

2.2.1 注漿鉆孔設計次序

本次選取1-3#鉆孔、補6#鉆孔、補5-1#鉆孔、3-2#鉆孔，共4 個鉆孔，在距切眼195m、225m、245m、280m 處，根據鉆孔探測情況，分別繪制了切眼回采至此位置時的預想剖面圖。在剖面圖首先確定機采高度，然后根據注漿目的設計注漿鉆孔。先在上述4 個探查鉆孔位置處設計注漿鉆孔，再依次設計其他鉆孔。

為了確保盡量多采煤，提高回采率，機采高度確定的原則有兩個：（1）支架上抬角度盡量大，確保少破巖，但最大不超10°。（2）當機尾進入上盤后距斷層面的距離L＜5m 時，直接上抬支架進入下盤煤體；當5m＜L＜25m 時，先不上抬支架，回采至機尾距斷層面5m 時上抬；當L＞25m 時，先臥底進行放頂煤，待機尾距斷層面8m 時上抬。支架進入斷層上盤后恢復。

2.2.2 注漿孔設計原則

在工作面下巷內幫開孔，鉆孔分上下兩排布置。下排孔開孔距底1m，終孔位置控制在機采高度內，且要求進入煤層下盤8m；上排孔開孔距底2m，終孔位置位于機采高度上部，且進入煤層頂板5m。上、下排注漿孔相間布置，孔間距均為10m，施工孔徑為75mm。

以1-3#鉆孔探查情況為例，繪制剖面圖如圖2所示。

圖2 1-3#探孔處注漿孔布置圖

2.2.3 注漿孔施工范圍及布置方式

注漿孔施工范圍為工作面切眼向外170～350m，總長180m。根據斷層探查情況，以4 個典型鉆孔為參考，依次設計其他注漿鉆孔。本次共設計鉆孔37 個，孔深44～76m。注漿孔設計圖如圖3 所示，設計參數見表1。

圖3 注漿鉆孔布置圖

表1 注漿鉆孔參數表

3 注漿參數

3.1 注漿和堵漏材料選擇

3.1.1 注漿材料選擇

深孔注漿具有以下特性：

（1）孔深大，漿液流動時間長

漿液應該具有較好的流動性，使其能夠在煤體中充分擴散；同時材料要具備良好的懸浮性能，以避免漿液流動過程中水、料分離。

（2）終孔裂隙發育不良

實體煤中裂隙較不發育，裂隙開度小且貫通性差。要求注漿材料顆粒超細，以便漿液能進入裂隙深部，同時可以配合采用高壓注漿打開裂隙。

（3）要求時效性要好

由于注漿區域要求在采動影響范圍內，超前距離短，而綜采工作面回采速度快，所以預留時間較短，要求漿液能快速凝固且具有較高強度。

基于超前深孔注漿以上特性，本次采用超細水泥作為單液注漿材料。其細度為1250 目，水灰比0.6:1。注漿材料加水混合均勻后，1h 內流動性好，不泌水，隨后逐漸固化，2～3h 內失去流動性，10h后完全固化，并且強度快速增加，1d 后抗壓強度約15MPa，3d 后抗壓強度為25MPa，7d 后抗壓強度為30MPa。

3.1.2 堵漏材料選擇

根據以往的注漿經驗，超細水泥單漿液可滿足斷層注漿加固的需要，但由于漿液非常細，在實際注漿過程中經常出現漏漿現象，導致注漿量少，無法達到期望的加固效果。因此在注漿過程中需要選擇堵漏材料與超細水泥單漿液配合使用。

本次選擇的堵漏材料為雙漿液混合材料，由兩組粉料構成，水灰比1:1。攪拌均勻后3～5min 即可失去流動性，30min 內凝固，2h 后材料強度可接近10MPa，堵漏效果較好。在出現漏漿時，可與超細水泥單漿液交替使用，增加注漿量。

3.2 注漿時機的確定

對斷層影響帶進行注漿加固要做到兩點：（1）要求盡量多注漿，提高加固效果；（2）注漿加固后盡量避免產生二次破壞。所以要根據工作面的回采進度合理確定注漿時機。

根據工作面動壓影響范圍分析，工作面向外約55m 為采動影響范圍，其受到超前支撐壓力的作用，裂隙開度較大，貫通性較好，其中0～20m 范圍內影響較大。切眼向外55m 范圍以外幾乎不受采動影響，為原巖應力區，裂隙發育程度較低，注漿效果差，注漿后還容易受到采動影響二次破壞。因此有效的注漿范圍為0～55m。但是由于綜采工作面回采速度快，在切眼向外20m 范圍內注漿不但容易導致漿液凝固時間不足，較高的裂隙發育程度還有可能導致頻繁漏漿，影響注漿效果。

為了保證工作面有足夠的回采時間，且注漿區域裂隙發育較好，根據以往注漿經驗，將工作面超前20～40m 時定為合理注漿時機，并隨著工作面推進依次注漿。

3.3 終孔注漿壓力

高壓注漿可以打開煤巖中的微小裂隙，并使裂隙貫通。通過對工作面巖石力學性質進行分析和現場試驗，確定最高注漿壓力26～32MPa，即終孔注漿壓力為26～32MPa。

4 注漿工程量及注漿效果

4.1 注漿工程量

本次共施工37 個注漿孔，實際進尺2104m，共消耗注漿材料122.1t，單孔平均注漿量為3.3t，最大單孔注漿量為11t。

4.2 注漿效果

工作面回采進入加固區域前50m，共發生片幫、冒頂現象3 次，其中片幫深度1～2.2m，冒頂高度1.2～3.5m，長度超過10m，對工作面正常回采造成了不良影響，工作面回采速度由3m/d 降至0.8m/d。見圖4（a）。進入加固區域后，工作面煤墻未發生冒頂情況，且最大片幫深度不足0.8m，長度不超過5m，工作面順利回采，平均回采速度達2.2m/d。見圖4（b）。

圖4 注漿前后對比圖

5 結語

（1）對斷層進行注漿加固，首先要對斷層位置進行準確探查，在此基礎上確定機采高度范圍，并根據斷層情況確定支架上抬位置，有利于注漿鉆孔設計。

（2）深孔注漿宜選用流動性好、顆粒超細和強度快速增長的水泥單漿液注漿材料，同時在漏漿時配合雙漿液材料進行堵漏，兩種材料交替使用可確保最大注漿量。

（3）通過對工作面受采動應力分析和現場實際經驗，確定超前工作面20～40m 為最佳注漿區域。該區域即可保證較大的注漿量，又不會受到二次采動應力破壞，可提高加固效果。