綜采工作面回采過斷層超前治理技術研究

劉 偉

（山西焦煤汾西礦業中興煤業公司，山西 交城 030500）

0 引言

斷層是煤炭回采時常見、安全隱患較為突出的構造類型，在斷層發育區內裂隙發育、構造應力顯現，煤巖體硬度低[1-2]。在采面回采過斷層時，在采動影響下會導致斷層活化，給煤炭回采以及巷道掘進等帶來較大制約，采面過斷層時面臨的災害類型包括有頂板垮落、突水、片幫等問題，為此眾多的學者及工程技術人員對采面過斷層技術展開研究，并提出超前注漿、跳采、平推硬過、玻璃鋼（木錨桿）加固以及降低采高等多種技術措施，現場均取得一定的應用效果[3-6]。山西某礦井田范圍內地質構造發育，以該礦31103 綜采工作面過DF29 斷層為工程背景，針對斷層有一定導水性、巖體裂隙發育以及影響范圍內煤巖體承載能力差等問題，針對性提出超前治理技術，現場應用后實現了采面安全開采。

1 工程概況

山西某礦設計開采6.0 Mt/a，批準開采煤層包括有3#、5#、9#、11#及15#等，由于礦井服役時間超過50 a，淺部的3#、5#資源基本回采殆盡，現生產主要集中在9#及11#煤層。31103 綜采工作面回采11#煤層，煤層厚度介于3.6～5.6 m，均值4.2 m，設計推進長度1 350 m，斜長240 m。11#煤層頂板巖性以砂質泥巖、炭質泥巖以及粉砂巖等為主，頂板巖層遇水膨脹、崩解，強度會顯著降低。

礦井回采范圍內水文地質條件復雜，根據回采巷道掘進資料顯示，在31103 綜采工作面回采范圍內發育有DF29 斷層（H=15～18 m，155°∠65～70°），該斷層影響范圍內煤巖體裂隙發育且有一定的導水性，現場施工的TD1～TD6 探測鉆孔中，除去TD2、TD5 鉆孔不出水，其余鉆孔均有少量出水情況；結合現有的資料判定該斷層裂隙與上覆砂巖裂隙水含水層聯通。11#煤層上覆含水水源主要為砂巖裂隙水含水層，巖溶裂隙不發育、富水性較差。DF29 斷層是制約31103綜采工作面高效回采的主要因素，因此提出超前治理措施為煤炭高效回采創造良好條件。采面內斷層分布情況，如圖1 所示。

圖1 采面內斷層分布示意圖

2 采面過斷層超前治理技術

依據31103 綜采工作面現場地質條件以及揭露的DF29 斷層發育特征，在31103 綜采工作面回采過DF29 斷層期間面臨的主要災害類型包括有：冒頂、片幫、頂板淋水等問題，導致采面推進速度緩慢、頂板管理難度顯著增加。提高斷層影響范圍內煤巖體承載能力及穩定性、封堵斷層導水裂隙可為采面回采過斷層創造良好條件。結合以往研究成果以及采面現場情況，提出采用回采巷道超前注漿+采面內局部注漿方式對斷層進行超前治理，封堵導水裂隙降低甚至避免頂板淋水，提升注漿加固區域煤巖體承載能力，避免出現冒頂、片幫等問題[7-9]。

2.1 回采巷道超前注漿加固

2.1.1 超前注漿鉆孔布置

回采巷道內超前注漿鉆孔布置，如圖2 所示。在采面運輸巷內布置1#～8#注漿鉆孔，鉆孔終孔均穿越DF29 斷層2 m 以上；在采面回風巷內布置9#～17#注漿鉆孔，鉆孔終孔均穿越DF29 斷層2 m 以上。回采巷道布置的注漿鉆孔均在巷道采面幫，開孔位于巷道頂板下方300 mm 處，終孔高于煤層頂板5 m 以上。布置的注漿鉆孔孔徑均為60 mm，鉆孔間距為20 m。選用的注漿材料長鉆孔注漿需要，注漿壓力控制在5～8 MPa。

圖2 回采巷道超前注漿孔布置示意圖

2.1.2 注漿加固材料

由于回采巷道內布置的注漿鉆孔注漿范圍大、注漿距離長，漿液在鉆孔內流動時間長，加之采面推進速度較快，對注漿材料性能要求較高。具體選用的注漿材料應滿足下述要求：

1）注漿漿液滲透時間長，因此要求注漿材料初凝速度不能過快，注漿材料在30～40 min 范圍內保持較好的流動性，以便滿足漿液注入需要，在120 min 后材料強度、黏結能力等顯著提升，以便適應采面回采需要；

2）注漿材料應具備較強的可注性、流動性，具體可通過增大注漿材料水灰質量比、材料細度、降低材料黏度等方式實現。

現階段水泥、水玻璃等無機注漿材料均在可注性、膠結時間等有問題，為滿足31103 綜采工作面回采巷道內超前注漿需要，注漿選用可注性好、黏結性強的水泥基材料，具體采用的SCJG-1 注漿材料性能，如表1 所示。

表1 注漿材料性能參數

2.1.3 采面局部注漿

在采面推進過程中，對回采揭露的破碎頂板進行局部補注漿，布置的注漿鉆孔孔深為6 m，仰角為15°～20°，開孔布置在頂板下方500 mm 處。采面回采3 個循環（回采4.8 m）后進行1 次注漿。采面局部注漿僅針對局部頂板破碎位置，注漿覆蓋采面過DF29斷層整個過程。注漿漿液選用滿足淺孔注漿需要的SCPJG-2 復合注漿材料，注漿時將注漿壓力控制在3～5MPa。

選用的SCPJG-2 復合注漿材料包含A、B 兩個組分，A 組分顏色呈淺灰色，分散黏度、密度分別為150～300 MPa·s、1.3～1.45 g/cm3；B 組分顏色呈棕褐色，分散黏度、密度分別為200～300 mPa·s、1.1～1.3 g/cm3。具體SCPJG-2 復合注漿材料性能參數，如表2 所示。

表2 材料性能參數

2.2 斷層超前治理效果

在31103 綜采工作面回采過DF29 斷層前，在回采巷道內對斷層影響區進行注漿加固，注漿材料選用SCJG-1 材料；在采面過斷層期間，回采巷道超前注漿未控制區域或者局部圍巖破碎區域進行局部注漿。對斷層進行超前治理后，斷層破碎帶內圍巖穩定性及承載能力顯著提升，同時漿液在導水裂隙中擴展可避免過斷層期間采面頂板淋水量大、頂板穩定性降低等問題。注漿漿液充填斷層破碎帶煤炭體裂隙，實現了圍巖加固以及導水裂隙封堵目的。

31103 綜采工作面耗時3 個月回采過DF29 斷層影響區，期間未出現頂板淋水、頂板冒落或者大范圍煤壁片幫等問題，采面保持正常推進速度。現場應用表明，采用超前治理技術后，DF29 斷層影響范圍內煤巖體保持穩定，可為采面安全高效過斷層創造良好條件。

3 結語

31103 綜采工作面開采范圍內DF29 斷層分布范圍廣、對采面影響顯著，斷層影響范圍內煤巖體破碎且斷層裂隙與上覆裂隙含水層聯通，斷層有一定導水性。在采面過DF29 斷層期間面臨淋水量大、頂板管理難度高等問題。為確保31103 綜采工作面安全高效通過DF29 斷層影響區，提出在回采巷道內向DF29斷層影響區超前注漿，在過斷層期間在采面內向超前注漿未控制區域或者局部破碎區進行局部注漿。

對超前注漿及局部注漿方案進行設計。現場應用后，31103 綜采工作面回采至DF29 斷層影響區內時頂板及煤壁保持穩定且未出現淋水情況，現場采用的超前治理技術取得較好應用成果。