清城煤礦15107綜放工作面過斷層注漿加固應用

于小進

(山西圣天寶地清城煤礦有限公司，山西 陽泉 045000)

由于地殼活動的影響，煤層中往往會形成斷層、陷落柱等不良地質體。斷層構造周圍的煤巖體在其影響作用下往往賦存狀態較差，圍巖表現為比較破碎，有應力集中的現象[1-3]。如果在工作面回采揭露斷層，不對完整性較差的煤巖體采取適當的措施，則會出現頂板漏頂、煤壁片幫等現象嚴重影響安全回采。因此，工作面回采前往往需要展開相關地質勘探，提前了解煤體中不良地質構造帶的分布，進而提前計劃相關處理方案。

關于工作面過斷層方法主要從加強工作面巷道支護強度和提高破碎圍巖完整性兩方面。其中，注漿加固可以高效、快捷的提高破碎煤巖體的強度和整體穩定性，在解決工作面過斷層的方面得到了廣泛應用[4-5]。本文主要以清城煤礦15107工作面過斷層為研究背景，展開超前注漿加固的應用研究。

1 15107工作面地質條件

清城煤礦15107工作面地表位于苗家莊村及以北一帶，山地溝谷縱橫交錯，地形復雜，有較多的褶皺分布。15107工作面目前開采15號煤，煤層平均厚度約7.24 m，采用放頂煤開采，一次采高為2.4～2.6 m。工作面走向長855 m，傾向長148 m，煤層產狀變化不大，為近水平煤層，傾角約8°。工作面直接頂為2.6m厚的堅硬石灰巖，基本頂為3.5 m厚的砂質泥巖，直接底為2.9 m厚的砂質泥巖，基本底為3.3 m厚的細砂巖。

15107工作面的切眼巷處揭露一斷裂構造，產狀為北偏東45°，斷層傾角24°，表示為135°∠24°，落差1 m左右的斷層，工作面布置及斷層如圖1所示。

圖1 工作面布置及斷層形態

2 斷層超前注漿加固方案

為了減小斷層影響，保證工作面在回采過程頂板和煤壁的穩定，提前在斷層影響范圍內展開深孔注漿加固，以此提高煤體的完整性。注漿加固的范圍選擇在斷層寬度前后各20 m范圍，共計約94 m。

2.1 超前注漿鉆孔布置

由于斷層揭露處的在15107進風巷，該巷道為矩形斷面，巷道凈寬4.7 m，凈高2.8 m。由于斷層有1 m的落差，為了能夠完全覆蓋斷層影響區域，計劃在巷道斷面打兩排鉆孔，鉆孔布置及參數如圖2所示。

如圖2(a)注漿孔的布置平面圖可知，深孔注漿孔呈三花眼布置，鉆孔水平間距為1.5 m，上排注漿孔距離頂板0.8 m，兩排注漿孔間距1.0 m，同排注漿孔的間距均為3.0 m，按照上述設計，在斷層影響范圍內共計施工深孔注漿孔68個。

圖2 注漿孔布置及參數特征

如圖2(b)注漿孔的剖面示意圖可知，下排注漿孔距離底板1 m，垂直于煤幫布置，孔深85 m，大于斷層的寬距離。由于斷層有落差，上排鉆孔設計仰角為2.5°，鉆孔穿插入頂煤，孔深與下排鉆孔一致。

2.2 超前深孔注漿工藝

深孔注漿加固主要由封孔、注漿兩個方面。因此相關工藝主要包含封孔工藝、注漿參數以及封孔和注漿設備系統等。

1) 封孔工藝：深孔注漿的封孔效果直接影響了注漿加固的效果。為了保證孔口的封堵效果，設計封孔長度為16 m，即采用8節長度為2 m的鋼管作為封孔段管件，孔口空余部分用棉花進行兩頭封堵。封孔材料選擇一種無機單液注漿材料，由于注漿孔設計比較密集，因此封孔材料選擇水灰比為0.6∶1，材料失流初凝時間僅為10 min，材料強度可以在1 h內達到3.8 MPa，能確保漿液快速與圍巖膠結。

2) 注漿參數：注漿的其余部分的管件全部采用PVC管，并且在每節注漿管上中間部分的管壁上設計密集的噴漿孔。封孔后半小時后，待封孔漿液初凝，開始連接注漿系統，展開深孔注漿作業。

深孔注漿秉持先下排鉆孔然后上排鉆孔的原則，即下排注漿結束后，再展開上排的注漿。注漿材料選擇與封孔材料不同，選擇聯邦無機雙液注漿材料，水灰比為1.2∶1，1 d強度可達7.8 MPa，3 d強度可達13.2 MPa，28 d后可達19.6 MPa。深孔注漿壓力一般選擇20～25 MPa，如果發現有漿液從煤壁滲出，則說明煤體內部破碎，需要適當降低注漿壓力以免壓力過大，從而導致漿液進一步破壞煤體。注漿量沒有嚴格的規定，原則上注滿為止。根據此次注漿量的統計，最大單孔的注漿量約為7.8 t。

3) 注漿系統：由于封孔和注漿所用的材料分別為單液和雙液，因此注漿系統整體分為封孔系統和注漿系統。展開注漿作業時，需要分批次封孔，隨后集中注漿。單液封孔所需一臺螺桿泵，通過調節水閥流量來控制水灰比，只需要人工上料即可。而深孔注漿時，由于需要較大的注漿壓力，故而選用注漿壓力為0～25 MPa，最大流量為200 L/min的液壓注漿泵。此外必須選擇合適的場地配備兩個600 L的單液攪拌桶和配套的定容水箱，注漿時需要嚴格遵守操作規程以免發生堵管。

3 深孔注漿加固效果

深孔注漿完成后，為了檢驗注漿效果，通過鉆孔窺視和15107巷道變形監測來綜合評價。

3.1 鉆孔窺視分析

鉆孔窺視可通過觀察鉆孔圖像中孔壁光滑程度和裂隙的發育情況分析煤巖體的完整性。在注漿完成后，也可通過鉆孔窺視對比注漿前后兩方面的圖像特征，分析漿液與破碎煤體的膠結效果。因此在本次深孔注漿前后，在15107進風巷斷層區域左右相差2 m的位置處分別展開鉆孔窺視，所得窺視結果如圖3所示。

圖3 注漿前后煤巖體鉆孔窺視結果

從圖3(a)中可以看出，注漿前孔壁整體粗糙，煤巖體內裂隙比較發育，鉆孔內有較多圈狀裂隙，有明顯的分層現象，也有少部分縱向裂隙，煤巖體完整性較差。根據圖3(b)可以看出，注漿加固后孔壁表面完全被漿液包裹，看不到原有的裂隙發育，孔壁整體光滑，說明漿液充填效果較好。通過對比可以看出，注漿材料較好的充填了斷層內的裂隙，使得煤巖體的完整性和穩定性得到提高。

3.2 巷道變形特征分析

由于斷層在切眼附近，因此注漿加固需要在工作面回采前展開，即當注漿加固完成后，15107工作面開始回采。為了進一步驗證注漿加固的效果，在注漿段的巷道內設置5個觀測點，收集巷道變形數據。工作面開始揭露斷層耗時5 d，隨后每10 d觀測一次巷道變形，共計45 d后結束。最后根據收集數據繪制巷道變形趨勢，其中一組巷道變形數據繪制后如圖4所示。

如圖4所示，巷道變形在工作面回采40 d左右變形開始穩定，逐漸趨于不變。其中，頂板下沉和兩幫收縮量較大，最大分別為173 mm和158 mm，巷道底鼓整體較小，最大約為89 mm。巷道整體變形量較小，證明深孔注漿加固的效果良好。

圖4 15107進風巷巷道變形特行

4 結 語

1) 分析了15107綜放工作面斷層的形態特征，并設計了超前深孔注漿加固的方案，包括注漿鉆孔布置，深孔注漿的封孔工藝、注漿材料以及封孔和注漿的系統。

2) 通過鉆孔窺視對比了注漿前后斷層區域的煤體內部形態發現，注漿后煤體內裂隙被漿液充填。15107工作面回采后進風巷巷道變形特征顯示，巷道整體變形量較小，表明注漿加固提高了煤巖體的強度，巷道穩定性增強。