四臺礦81003工作面過斷層注漿加固技術研究與應用

趙海峰

（晉能控股煤業集團四臺礦，山西 大同 037003）

0 引言

隨著煤礦采煤深度和采煤強度的增加，煤層出現斷層的現象愈演愈烈。在開采過程中，在采動壓力的作用下產生了冒頂，片幫等事故[1]。因此，要進行改進設計，通過留設防水煤柱，采用注漿加固技術對工作面進行過斷層改造。

1 地質概況

四臺礦12號層81003工作面與上覆煤層的距離極近，位于410盤區的南部，工作面南高北低，該地區煤層厚約3.10～4.50 m，平均為3.75 m，中間是2層的夾石，厚度0.15 m，煤層呈傾斜，角度是3°～5°，平均斜坡是4°，該地區有較多的斷層，落差為0.71～1.7 m。工作面開采后，由于斷層有較大的落差，揭露了區域內頂板巖層的破碎，造成影響較大，另外片幫、冒頂事件的發生，不僅導致煤炭回采率較低，成本較高，而且還直接威脅著工作面的生產安全[2]。因此，針對四臺礦81003工作面的特殊結構，選擇注漿加固的過斷層方法，其采煤與斷層位置關系如圖1所示。

圖1 采煤與斷層位置關系

2 方案設計

2.1 注漿方式

注漿加固選擇漸進注漿的方式來進行[3]，漸進注漿方式要求如下：其中一級注管要求進行2次，同時確保測試壓力為10 MPa，持續時間在30 min以上；另一方面，二級套管下入后才能進行耐壓試驗，其中要求二級套管的測試壓力為10 MPa，持續時間在30 min以上。二級管試壓結束后，必須戴閘閥方可進行鉆入，在鉆場配備測壓裝置，待鉆孔出水時進行壓力測試。在鉆孔注漿時，一般采用連續注水，如單孔注水量超過150 t時，可考慮使用間歇注水，在間歇注水期內必須及時沖洗注漿管道。

2.2 注漿條件

注漿加固主要采用循序漸進的方式進行注漿，當鉆孔是5～7 mm時，進行井下地面自動注漿，當鉆孔出水量小于5 m3/h，經多次壓后注漿出水量仍大于10 m3/h，則繼續進行自動注漿，若未經壓后注漿出水量繼續大于10 m3/h，則自動注漿泵繼續進行井下注漿，達到一定終壓后即停注，凝固4 h后經掃孔后再鉆入，循環往復至鉆孔預計注漿深度為止。

2.3 注漿材料的選擇

采用樹脂和催化劑混合而成的馬麗散作為注漿加固材料,該材料粘度較低,注入巖石的擴散速度快，此后可迅速將煤體與巖體相結合，并在短時間內對斷層進行加固，同時，馬麗散在滲透、機械、膠結等方面也有很好的作用，在抗沖擊、抗老化和耐磨等方面也有獨特的優點。相對于傳統的僅靠泵的壓力來擠壓漿液，馬麗散入斷裂后的體積擴大了1.5倍，在很大程度上，不僅節省成本，而且還能提高效率。此外，馬麗散不受氣候影響，干燥、潮濕地區均可正常使用。因此，馬麗散成為注漿加固材料中的首選[4]。

2.4 注漿孔位置

在最短路徑原則[5]的基礎上，結合斷層實際勘查情況，注漿孔位置依次設計在上、下巷，其中，在上巷幫于切眼相距450～500 m處開孔，在下巷幫與切眼相距500～600 m處開孔，共設計上下2排注漿鉆孔，每相鄰2個上下孔之間間隔5 m，下排孔與底板保持1.1 m的距離，上排孔與頂板保存2 m的距離，深度要大于斷層10 m以上。以12號探測鉆孔附近注漿孔為例，鉆孔設計為：切眼后退450～620 m，合計170 m長。上、下2排鉆孔分布，每孔之間間隔5 m，共設計37個鉆孔，深55～130 m。上下巷的鉆孔設計是相同的，設計示意圖如圖2所示。

圖2 注漿鉆孔設計示意圖

2.5 注漿參數確定

注漿效果受壓力大小的影響，壓力大會使煤巖體破碎，強度降低。壓力過小會導致注漿范圍縮小，加固效果不明顯。依據煤體強度和斷層發育情況。確定了注漿壓力為8～15MPa。

斷層破碎帶的煤巖體強度也受注漿量的影響。注漿量過少會降低煤巖體裂縫的密實度，相反，過多浪費漿液。注漿量的多少受多個因素影響，如鉆孔長度，孔徑，漿液粘度以及煤巖體孔隙率等。根據現場斷層裂縫發育情況，確定每個鉆孔的注漿量為2 t。

如遇到漏漿嚴重時，可以先停止注漿。漏漿可能是由于壓力過大，或者泵送流量過大。可以先降低壓力及泵送流量，對漏漿點用棉紗封堵，待漏漿現象消失后，再用正常壓力及泵送流量進行工作。

注漿時間的確定。由斷層發育情況以及開采方式決定，超前切眼40 m時，裂縫發育程度較好，通透性較高，是最佳注漿區域。

3 應用效果驗證

在四臺礦12-2號層81003工作面斷層上應用注漿加固技術，通過對巷道的片幫、冒頂深度和次數進行現場實時監測，注漿前后的情況對比見表1。

表1 巷道注漿前、后的對比

在四臺礦斷層注漿加固工程中，共設計鉆孔37個，工程進展3 700 m，共消耗注漿材料135 t，平均單孔注漿量達到3.5 t。工程量每天推進3 m，進入斷層區域后，注漿區前40 m范圍內，受工作面煤墻局部影響，發生片幫、冒頂3次。受此影響，工程進度緩慢，工作面日平均回采不足1.5 m。進入注漿加固區域后，片幫、冒頂現象大大減少，工作面日平均可回采2.5 m左右。通過表1可以得出結論：未注漿區跟注漿區相比，注漿加固后的片幫及冒頂深度和頻次都大幅度降低，因此說明注漿加固技術在斷層裂縫處理方面有良好的效果。

4 結論

1）根據最短路徑原則，通過對81003工作面斷層進行準確的探查，合理安排注漿孔位置，選擇漸進式注漿，提高了注漿效果。

2）選擇馬麗散做為注漿加固材料，不僅節約成本，而且提高了效率。

3）通過回采實驗表明：注漿加固工藝在通過81003斷層工作面治理效果極佳，不僅片幫、冒頂事故發生次數減少，而且工程安全同時也得到保障。