綜放工作面過斷層注漿加固技術

田鵬飛

（晉能控股煤業集團朔煤小峪煤業有限公司，山西 朔州 038300）

由于地質作用影響，斷層附近煤巖體強度一般相對較低，工作面煤壁、頂板煤巖體極易破壞而失穩，進而誘發片幫、冒頂等事故，影響工作面生產，嚴重的甚至會造成人員傷亡。工作面過斷層時通常使用化學漿液和無機材料漿液注漿技術對斷層處破碎圍巖進行加固。化學漿液雖然在加固圍巖性能方面更具優勢，但使用成本較高，且會污染地下水資源，危害礦區生態環境。無機材料漿液性能雖然略差，但其使用成本更低，且更為環保，因而在注漿工程中被廣泛使用[1-3]。本文以小峪煤礦8102 工作面過斷層為工程背景，介紹了該礦在工作面過斷層期間采用的注漿加固技術措施，可以為其它礦井類似工作面提供借鑒。

1 工程概況

8102 工作面位于22#煤層402 盤區，煤層賦存較為穩定，變化較小，煤層厚度9.2～10.2 m，平均厚度9.7 m，煤層頂底板情況見表1。煤層走向127°，傾向北東，傾角3°。工作面傾斜長210 m，走向長為1 255 m，采用綜合機械化放頂煤開采技術，采高為3.0 m，放煤高度為6.7 m，采放比為1:2.2。工作面標高+1 050～+1 055 m，對應地面標高+1 365～+1 294 m，對應地表位于南嶺梢南部，車道溝與東溝之間,蓋山厚度約312 m。工作面北部為與山西煤運東溝煤業公司間的礦界煤柱，南部為8204 采空區，西部為402 盤區輔助運輸巷及輔助回風巷，東部為礦界煤柱。

表1 煤層頂底板情況

8102 工作面運輸巷道掘進期間揭露一正斷層F280。利用槽波探測及鉆探技術對斷層分布進行探測，斷層展布見圖1。F280斷層傾角58°，落差達0～3 m，主要在工作面回采至150～350 m 范圍產生影響。由于斷層落差小于工作面采高，因此現場決定采用硬推方式過斷層。

圖1 8102 工作面F280 斷層位置

2 注漿鉆孔設計

根據F280斷層在8102 工作面的分布情況，確定在工作面回采至150～350 m 范圍內對斷層處的圍巖進行注漿加固。為減少對工作面回采的影響，選擇在8102 工作面回風巷巷幫位置布置注漿鉆孔。為最大程度地利用鉆孔，加強注漿效率，選擇“三花眼”的鉆孔布置方式，鉆孔間距為10 m，排距為0.9 m，下排鉆孔距離巷道頂板2.0 m，上排鉆孔距離巷道底板2.0 m。為最大程度使漿液擴散至工作面煤壁及頂板位置，根據現場施工經驗，注漿鉆孔的終孔位置應位于綜放面采煤機割煤高度范圍內，鉆孔應進入斷層下盤8 m 位置。鉆孔孔徑為75 mm，孔深50.0～78.0 m。鉆孔布置見圖2。

圖2 注漿鉆孔布置

3 注漿材料及注漿時間

3.1 注漿材料選擇

為降低注漿成本，同時減少對環境造成的污染，決定采用無機材料漿液作為本次注漿材料。由于加固后圍巖將受到回采形成的超前支承壓力的影響，因此，注漿材料的和漿液性能應滿足以下三個方面的要求。

第一，要具有較好的流動性。由于注漿鉆孔長度加大，可達50～78 m，因此必須保證漿液具有較好的流動性，使漿液可以順利到達加固位置而不發生堵塞等問題。同時，注漿過程還應確保漿液不發生泌水問題。

第二，應具有良好的滲透性。由于預注漿位置一般遠離回采工作面，該位置處的煤巖體受超前支承壓力影響較小。因此，該位置處的煤巖裂隙并不發育，多以原生節理裂隙為主。為保證漿液充分進入煤巖體內眾多的微裂隙，注漿材料應為超細顆粒構成的懸浮液，并采用高壓完成注漿，使得漿液可以深入煤巖體內的微裂隙。

第三，應具有早強特性。該工作面為大采高綜放工作面，煤壁本身穩定性較差。因此，漿液在固化后必須具有早強特性，工作面到達斷層時，加固后的煤巖體即具備較高的強度而不至于在超前支承壓力作用下發生較大程度的破壞，導致片幫事故的發生。

根據上述要求，確定采用公司自研的聯邦加固高性能注漿材料，主要成分為單液超細水泥，細度可達1 500 目，以0.8:1 水灰比配制為漿液。該材料具備良好流動性，漿液在1 h內不發生泌水現象，2～3 h失去流動性，10 h達到完全固化效果。固結體1 d單向抗壓強度約18 MPa，3 d強度約25 MPa，7 d抗壓強度達到峰值，約35 MPa。

3.2 注漿時機及參數

由于斷層處圍巖較為破碎，而聯邦加固高性能注漿材料失流時間較長，難以堵漏。為避免注漿過程中發生漏漿，采用雙液注漿材料對淺層圍巖進行預先堵漏，雙液材料成分主要為兩種無機礦粉，以0.9:1 水灰比配制漿液后，可以在短時間內（2～5 min）失去流動性，20 min后基本硬化，2 h強度可達7 MPa。因此，注漿之前應使用該材料對破碎圍巖進行前期加固，在鉆孔淺部形成止漿層，防止深部漿液注入時從圍巖淺部流失。淺層注漿時壓力應控制在3～8 MPa。

受工作面超前支承壓力分布影響，距煤壁不同距離處的煤巖體裂隙發育水平差異較大。現場鉆孔窺視表明：煤壁前方0～20 m 處煤巖裂隙較為發育，可注漿量較大，但由于距離工作面較近，會產生一定程度的漏漿問題；而距煤壁距離大于55 m 處的煤巖體受支承壓力影響較小，裂隙不發育，注漿量較小。因此，結合8102 工作面推進速度以及聯邦加固高性能注漿材料達到峰值強度所需時間，確定在工作面距離斷層45 m 位置處開始注漿。注漿壓力應達到25～30 MPa，以使漿液可以劈裂微小的原生裂隙而注入煤巖體內部。

4 注漿效果

為進一步檢驗斷層圍巖注漿加固效果，對8102 綜放工作面過斷層期間的推進速度進行統計。根據統計工作面推進速度數據，可以將過斷層過程劃分為五個階段，見圖3。8102 工作面正常回采階段，推進速度為3 m/d。當工作面接近斷層時，推進速度逐漸降低，此時，工作面推進速度約為1.36 m/d。當機尾揭露斷層時，工作面推進速度進一步降低，約為1.18 m/d。當機尾大部分進入斷層區域時，工作面共出現3 次煤壁片幫、1 次頂板冒漏事故，此時，推進速度為0.88 m/d。當推進至注漿區域后，工作面未發生頂板冒漏事故，但發生2次煤壁片幫事故，片幫深度最大約為0.3 m，范圍小于3 臺支架，工作面推進速度逐漸增加至1.35 m/d。通過斷層后，工作面推進速度恢復至正常回采水平。

圖3 8102 工作面過斷層期間推進速度

5 結語

根據斷層區域特點，提出了采用雙液注漿材料進行淺層堵漏，使用高性能單液注漿材料進行深孔注漿，減少了漏液，增強了注漿加固效果。根據8102工作面推進速度以及聯邦加固高性能注漿材料達到峰值強度所需時間，并結合工作面前方煤體裂隙發育情況，確定在工作面前方45 m 開始進行注漿。通過實施注漿加固技術，有效降低了綜放工作面過斷層期間煤壁片幫、頂板冒漏等事故的發生頻率，確保了綜放工作面安全高效生產。