論構造破碎帶注漿加固技術在采煤工作面的應用

＊趙春陽

（山西省煤炭建設監理有限公司 山西 030000）

采煤活動中遇到斷層后，可能存在工作面頂板破碎問題，嚴重時誘發冒頂等事故，導致采煤工作進程被迫停止，現場作業人員的人身安全遭到威脅。因此，以何種方式使采煤工作面安全地通過斷層破碎帶是值得重點探討的技術課題。鑒于此，下文則重點探討構造破碎帶注漿加固技術的應用要點。

1.工程概況

12122工作面長390m、寬150m，東高西低、北高南低。煤層厚度1.72～4.09m，平均3.01m。采煤區基巖為全隱伏地層，被第四系地層覆蓋。隨著采煤工作面的推進，將到達DF10正斷層組、DF11正斷層及X12陷落柱集中影響區，此范圍內地質構造特殊，從膠帶順槽側開始對采煤工作面產生不良影響，影響工作面推進長度約300m。為保障采煤工作面的安全推進，需要針對構造破碎帶進行處理。

2.采煤工作面過斷層方法

斷層最大落差為4.0m，過斷層時保留底板煤層，僅對上盤頂板巖層做切割處理；工作面回采受斷層F2的影響最為明顯，走向角度175°，傾角角度78°。過斷層方案，如圖1所示。

圖1 過斷層示意圖

采煤工作面過斷層施工時，嚴格控制支架起坡點的位置，按如下方法計算后確定：

式中：β—起坡角度（°）；a—斷層傾角（°）；H—斷層斷距（m）；M—工作面采高（m）。

經計算，L1=26.3m，L2=24.1m，支架起坡點在距離斷層面約27m的頂板處。

3.構造破碎帶注漿加固技術的應用

(1)準備工作

①根據注漿加固施工要求準備材料和設備，所有材料均要通過質量檢驗，設備要通過性能檢驗。

②回采后的114～132號液壓支架間會揭露陷落柱，針對此情況，采取超前注漿加固措施；注重現場檢查，校對陷落柱的發生部位，對此類部位進行超前注漿，漿液固結后起到加固的效果；確定陷落柱內部巖體破碎程度，必要時采取注漿加固措施。

(2)注漿材料的選用

具體至本工程中，注漿采用JDAQ-4新型無機充填加固材料，原因在于此類材料具有初凝快、微膨脹、高流動性、高強度、耐腐蝕等優勢。為評價該材料的綜合性能，選取水灰比為（0.30～0.45）:1的材料，測定抗壓強度、抗折強度、初凝時間、流動度等指標，結果如表1所示。

表1 JDAQ-4型材料性能參數測定結果

(3)注漿加固

注漿的施工流程涉及到孔位標記、鉆孔、退出鉆桿、安裝注漿管、注漿、封孔等工序[2]，具體流程如圖2所示。

圖2 注漿工藝流程

在本工程中，注漿壓力以2MPa為宜，同時淺孔低壓注漿時，由漿液在巖體外部固結成封閉殼，深孔注漿時注漿壓力有所增加，以8～10MPa的高壓進行注漿，在壓力的推送作用下，使漿液全面填充裂隙，取得更加良好的注漿效果[3]。

(4)注漿孔的布置

注漿加固范圍為12122工作面的斷層和陷落柱，加固所用漿液的擴散半徑為3.0～4.0m，根據漿液擴散范圍廣、注漿填充能力強的特點，確定注漿孔的布置范圍。

①斷層注漿孔布置。DF10斷層：注漿孔布設范圍為12122膠帶內，經由此區域的孔洞注漿后，加固DF10斷層。單排布孔，孔徑120mm，開孔高度1.8m，鉆孔間距1.0m，傾角視實際情況而定。封孔深度8m，采用囊袋式注漿封孔的方法。鉆孔過程中加強對鉆進深度的監測，鉆孔見煤3～5m時，退鉆桿。

DF11斷層：注漿孔布設范圍為12122膠帶巷內，經由此區域的孔洞注漿后，加固DF11斷層。單排布孔，孔徑120mm，開孔高度1.8m，鉆孔間距1.8m，傾角視實際情況而定。封孔深度8m，采用囊袋式注漿封孔的方法。鉆孔過程中加強對鉆進深度的監測，鉆孔穿過DF11斷層面周邊6m煤或4m巖時，退鉆桿。

②X12陷落柱注漿孔布置。由于本工程注漿具有長距離、高壓、超前加固的特點，且注漿作業范圍主要集中在運輸順槽內，特對X12陷落柱的特殊地段采取注漿加固措施。為避免長距離高壓注漿過程中出現跑漿問題，嚴密封堵巷道內的斷層和陷落柱。鉆孔采取深孔和淺孔相綜合的方法，布置方式為：

A.深孔的布置：在兩排錨桿中間、距底板2m處開孔，首個鉆孔安排在距離停采線154m處，注漿深孔布設間距統一控制在5.4m，孔徑120mm，開孔高度2m，注漿管外徑25mm。以該方式布孔后，距停采線154～40.9m內的深孔數量共計22個。

B.淺孔的布置：在兩排錨桿中間、距底板2m處開孔，首個鉆孔安排在工作面軌道順槽距離停采線146m處，注漿淺孔布設間距統一控制在5.4m，孔徑75mm，開孔高度2m，深度5m，注漿管外徑25mm，所有淺孔均布置在深孔之間。以該方式布孔后，距停采線146～32.8m內的淺孔數量共計22個。封孔深度1m，采用囊袋式注漿封孔的方法。

圖3 X12陷落柱注漿孔布置剖面圖

(5)注漿工藝

注漿孔鉆進結束后，檢驗孔位、孔深、孔徑等，若無誤布置嚴密性和管道內部暢通性均良好的注漿管路，為注漿配備封孔裝置。待各項準備工作均落實到位后，開始注漿。

①正式注漿前安排試注漿，注入清水，觀察出水狀況，判斷是否存在管路堵塞或其它的問題，若有需盡快處理。②啟動攪拌泵，檢查此裝置的運轉狀態。③連接管路和孔口混合器，檢查連接部位是否嚴密、穩定。④按比例向儲漿桶內倒入黑料和白料，提供足量的注漿加固材料。注漿期間，加強對儲漿桶內注漿材料液位的檢查，若發現液位下降，隨即補充。⑤隨著注漿的持續進行，待注漿壓力提高至12MPa時，借助單孔注漿，按照施工計劃轉移至下一孔，以此類推，完成所有鉆孔的注漿作業。⑥注漿后，若確認構造破碎帶的注漿效果良好，隨即拆除混合管及注漿管，用清水沖洗附著在管路中的漿液，以防固結。

4.工作面推進工藝

根據安全、平穩等要求推進采煤工作面，要點如下：（1）采煤機在陷落柱兩側邊界10m以內時，以0.5～1.0m/min的速度截割，期間加強對截割范圍內煤、巖的觀察，若遇到煤壁有片幫傾斜或頂板穩定性不足的情況，暫停截割，根據實際狀況采取控制措施。（2）采煤機在陷落柱兩側邊界范圍10m以外時，煤炭截割以正規循環的方式進行。（3）以采煤工作面揭露的陷落柱和探測到的陷落柱的實際情況為準，調整注漿參數，以合適的參數注漿后，取得良好的注漿加固效果[4]。（4）采煤機截割作業點位到達陷落柱影響區域時，以此處巖體硬度f值為準采取合適的破碎方法：f值在4以內且巖體破碎，由采煤機截割巖體；f值在4以上且存在高硬度的巖體，僅通過采煤機截割時難度高、效率低，因此在采取此方法的同時輔以爆破措施。

5.構造破碎帶注漿效果評價

托頂煤通過無機加固材料做注漿加固處理后，煤頂節理被漿液填充密實，固結后的漿液連同煤頂組成結塊，提升架頂托頂煤的穩定性較處理前大幅提高。在本工程中，注漿材料屬無機加固材料，可避免傳統聚氨酯類材料加固過程中可能出現的遺煤自燃氧化問題，加固的安全性良好。頂煤經過加固后具備較強的承載性能，可在安全的前提下順利完成托頂煤的快速推進作業。注漿加固材料的5h抗壓強度達到25.5MPa乃至更高，加固后的破碎帶具有較高的抗壓強度，穩定性良好。針對DF10、DF11斷層進行注漿加固后，現場破碎帶松散、失穩等問題均得到改善，加固后的斷層構造破碎帶可滿足綜采工作面安全通過的要求[5]。

以掏撬法向注漿加固范圍內選取煤巖體塊進行實驗，結果顯示煤巖體的強度及其它性能均達到要求，能夠保證工作面順利通過斷層破碎帶。由于對工作面落差較大的斷層采取的是不飽和注漿的方法，注入的漿液將落差較大的斷層粘結至一體，平整性和穩定性均得到改善，具備綜采工作面安全生產的條件，在此基礎上，若工作面施工方式得當，將順利通過DF10、DF11斷層。從現場施工狀況來看，早班以打孔注漿的方法加固綜采工作面，中班和晚班檢測結果顯示注漿加固材料的初始抗壓強度達到要求，可進行工作面生產，保障綜采工作面注漿、回采的交替進行，施工進程能夠連續推進。

6.結論

經過前述的分析后，對本文內容做如下總結：

（1）考慮到煤礦生產現場構造破碎帶地質條件的特殊性，秉承著安全生產的原則，提出注漿加固技術。經過打孔、注漿后，漿液填充至斷層、陷落柱內，漿液發生固結，將松散的破碎帶膠結至一體，注漿后的圍巖具有更好的完整性以及更高的強度，可避免原始狀態下的頂板破碎、分段坍塌等問題，避免冒頂事故，營造良好的煤礦生產條件。高度重視注漿材料的選擇，經過對多類材料的對比分析后，采用的是JDAQ-4型新型無機充填加固材料，同時根據現場作業條件設計適宜的鉆孔方法、注漿方法，經過鉆孔、注漿后，充分發揮出漿液的加固作用。

（2）現場取樣檢驗后發現，加固范圍內煤巖體的抗壓強度、抗折強度等性能均達到要求，構造破碎帶具有完整性，可保障工作面通過構造破碎帶時的安全性。同時，綜采工作面注漿加固、回采交替進行，施工秩序良好。實踐表明，工程采取的注漿加固技術在處理構造破碎帶時有良好的應用效果，可推廣至類似的煤礦工程中。