采煤工作面過地質(zhì)構(gòu)造超前加固技術研究

（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司 山西 037100）

地質(zhì)構(gòu)造是影響煤炭高效回采的不利因素之一，在地質(zhì)構(gòu)造影響帶附近煤巖體較為破碎，給采面回采、回采巷道掘進造成一定制約[1-2]。煤巖開采時斷層是最為常見的構(gòu)造類型，在斷層帶附近，煤層連續(xù)性遭到破壞、圍巖破碎，煤層本身及頂?shù)装鍘r層強度、穩(wěn)定性均顯著降低，從而導致回采工作面過斷層期間容易出現(xiàn)煤壁片幫、頂板冒落等事故，液壓支架也容易出現(xiàn)不接頂、傾倒、壓架等事故，從而給采煤工作面高效回采帶來顯著威脅[3-6]。同時地質(zhì)構(gòu)造也是最為常見的導水構(gòu)造，因此在采面過地質(zhì)構(gòu)造帶時采取針對性的圍巖加固措施對提高煤炭開采效率及安全性具有顯著促進意義[7-9]。文中以山西某礦3502綜采工作面過斷層為研究對象，結(jié)合相關研究學者提出的采面過斷層研究成果以及以往采面過斷層技術經(jīng)驗，提出采用超前預注漿方式加固斷層影響帶附近破碎圍巖，從而確保采面過斷層期間頂?shù)装鍘r層穩(wěn)定，確保采面安全通過斷層。

1.工程概況

山西某礦3502綜采工作面開采5#煤層，設計推進走向推進長度1350m、切眼斜長285m。采面開采的5#煤層厚度平均4.7m、埋深460m、傾角4～8°，5#煤層頂?shù)装鍘r性以砂巖、泥巖為主，具體巖性參數(shù)見表1。

表1 5#煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)

根據(jù)3502綜采工作面回采巷道掘進揭露地質(zhì)構(gòu)造情況以及相關地質(zhì)資料顯示，3502綜采工作面在回采過程中會遇到F1～F22等8條斷層，具體各斷層發(fā)育參數(shù)見表2所示，其中F8、F9斷層在采面內(nèi)擴展長度、影響范圍分別達到68m、35m，對采面回采影響較大。預計3502綜采工作面過F8斷層期間，煤層及頂?shù)装鍘r層均較為破碎。為此，礦井提出采用超前注漿技術加固斷層破碎帶圍巖，以便為采面回采創(chuàng)造良好條件。

表2 斷層參數(shù)

2.超前注漿加固技術

(1)斷層破碎帶注漿加固基理

注漿加固是采用注漿泵通過注漿鉆孔向特定位置注入注漿材料，注漿材料在注漿壓力作用下沿著煤巖裂隙中擴展，從而起到加固煤巖體作用。在注漿漿液膠結(jié)作用下將破碎煤、巖體形成完整的結(jié)構(gòu)，煤巖體粘聚力以及內(nèi)摩擦角等物理力學性質(zhì)均得到一定程度提升，從而給采面回采創(chuàng)造良好條件，避免采面過斷層期間出現(xiàn)冒頂、煤壁片幫、壓架等問題。依據(jù)注漿壓力大小可將注漿細分為滲透、劈裂以及壓密等方式，不同的注漿方式具有其自身特點及適用范圍，應根據(jù)現(xiàn)場需要選用。

(2)注漿方案設計

3502綜采工作面回采期間F8斷層、F9斷層對采面生產(chǎn)影響最為明顯。根據(jù)回采巷道揭露斷層情況，判定F8、F9斷層對采面生產(chǎn)影響主要是降低煤巖體強度，從而導致綜采設備陷入底板或者頂板冒落、煤壁片幫等，因此注漿加固重點為對斷層破碎帶內(nèi)松軟破碎為煤巖體進行加固，提高煤巖體強度及穩(wěn)定性。

(3)注漿材料及注漿設備

現(xiàn)階段煤礦井下常用的注漿材料有無機、有機兩大類，其中無機材料以水泥漿為主，具有成本低、無有害氣體釋放等優(yōu)點，缺點是凝結(jié)時間長、注漿過程繁瑣、擴散半徑小以及注漿壓力大等；有機材料包括有聚氨酯等高分子材料，具有凝結(jié)時間短、滲透性強等優(yōu)點，但是也存在注漿成本高等問題。

受到斷層影響，在斷層破碎帶內(nèi)煤巖體裂隙發(fā)育，注漿漿液在較小的壓力作用下即可滲透，同時由于超前預注漿，給注漿漿液凝結(jié)留有足夠時間。為此，本次注漿選用水泥漿。

注漿設備選用井下回采工作面配備的型號ZBQS－10/10注漿泵，并配合高壓膠管、混合槍等進行注漿。注漿孔施工采用液壓履帶鉆機、金屬石鉆頭以及麻花鉆桿。

(4)注漿孔封孔

在注漿初期封孔用止?jié){塞進，但是由于注漿壓力在3～5MPa，從而導致部分漿液從孔口滲出。為此，對注漿鉆孔封孔進行改進。注漿孔封孔長度在6.0m，封孔采用2根長度分別為3.0m、6.0m無縫鋼管，其中3m長無縫鋼管用以注入馬麗散。

(5)注漿壓力及注漿量

在超前預注漿加固斷層破碎帶巖層時，采用較大的注漿壓力雖然可增加水泥漿注入量，但是也顯著增加注漿難度并會形成新的裂隙，增加注漿工作量；注漿壓力過小時則容易存在注漿盲區(qū)，導致斷層帶破碎圍巖無法充分膠結(jié)，給采面過斷層安全埋下一定隱患。因此，應根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇合適的注漿壓力。根據(jù)注漿經(jīng)驗，將注漿壓力設定在2.0～2.5倍靜水壓力可取得較好的注漿效果。在3502運輸巷注漿點位置靜水壓力約為3.5MPa，因此將注漿壓力選擇在7.0～8.75MPa，為了降低注漿難度，將注漿壓力最終確定為7.0MPa。注漿量依據(jù)現(xiàn)場注漿情況而定，單孔注漿量在150～260m3。

3.注漿加固效果分析

在3502運輸巷內(nèi)共計布置45個注漿鉆孔，整個注漿加固耗時累積30d，共計注入注漿漿液約6800m3。注漿完成20d后采面回采至注漿位置。具體現(xiàn)場煤巖樣見圖1所示。從圖中看出煤巖體中的大孔隙基本被注漿漿液充填，從而使得破碎帶內(nèi)煤巖體強度及穩(wěn)定性均得以顯著提升。在回采過斷層破碎帶期間，煤層頂?shù)装鍘r層巖性穩(wěn)定，未出現(xiàn)頂板冒頂、煤壁片幫等問題。

圖1 注漿加固后煤巖體裂隙充填情況

4.總結(jié)

（1）3502綜采工作面回采受到多條斷層影響，在斷層破碎帶內(nèi)煤巖體裂隙發(fā)育，加之采面回采高度為4.5m、采高大，采面過斷層期間存在頂板冒落、煤壁片幫等安全風險。

（2）為了確保采面過斷層安全，以采面過F8、F9斷層為工程實例，提出采用注漿方式加固斷層破碎帶巖層，通過注漿提高煤巖體穩(wěn)定性及承載能力。并依據(jù)現(xiàn)場條件對注漿加固參數(shù)進行詳細設計。

（3）現(xiàn)場應用后，煤巖體裂隙被注漿漿液充填，采面過斷層期間未出現(xiàn)煤壁片幫、頂板冒落等事故，為采面高效回采創(chuàng)造了良好條件。