綜采工作面過斷層帶分步預注漿方案設計及應用

續盛磊

（汾西礦業集團安全管理部，山西 介休 032000）

0 引言

斷層是地殼受力發生斷裂，沿斷裂面兩側巖塊發生的顯著相對位移的構造，在我國井工煤礦中極為常見，礦區分割、井田邊界、采區設計、工作面布置往往也需要遵循大小斷層的分布狀況，同時，斷層對井下采煤工作的影響往往也較大，需要在生產過程中高度重視。斷層的主要影響在于，斷層線周邊應力狀況復雜且分布應力集中區，煤巖強度低、完整性差，而且當斷層受到采掘工作擾動時，就會產生活化效應，應力重新分布，給采掘圍巖支護帶來更多不確定因素，造成頂板等圍巖事故頻發。因此，對于工作面過斷層工作，國內外學者及一線從業者也都進行了大量的研究，除了常規的破頂破底過斷層、平推硬過斷層、采取拉超前架或架前支護等特殊措施外，對斷層帶實施注漿加固或馬麗散封堵是較為有效且常用的技術措施，得到了業內廣泛認可[1-4]。針對汾西礦業集團某礦1123（全文簡稱1123）綜采工作面過4 號斷層影響區的頂板控制難題，設計采用分步預注漿措施加固斷層帶內的破碎煤巖，確保工作面安全推過4 號斷層影響區。

1 工程概況

1123 綜采工作面位于礦井東一采區，工作面標高范圍為-505～-441 m，主采3 號煤層，煤層平均厚度5.5 m，平均傾角10°，采用綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。工作面為雙巷布置，材料順槽進風，運輸順槽回風，工作面傾向長度160 m，走向長度1 350 m。工作面頂底板條件為：有平均厚度3.5 m的直接頂，泥巖巖性；平均厚度5.5 m 的老頂，粉砂巖、砂巖巖性；平均厚度2.2 m 的直接底及平均厚度4.6 m 的老底，泥巖、炭質泥巖巖性。

地質說明書顯示，工作面范圍內煤層分布不均衡，厚度范圍介于1.7～13.5 m，總體情況為中間低、兩端高，且探測顯示工作面范圍內有8 個地質狀況異常區，其中尤以4 號區最為典型，分布有相互交錯的3 條正斷層，斷層分布及產狀參數如表1 所示。整個4號區影響范圍達到70 m×160 m，需要就過斷層工作進行專項研究。

表1 斷層分布及產狀參數表

分析4 號斷層影響區，F-17 斷層落差大、影響范圍大，自工作面上順槽貫徹至下順槽，另外兩條斷層與F-17 斷層相互交錯，斷層分布及構造復雜，且煤層頂底板受斷層切割，頂板破碎程度高，煤層破碎且厚度變化大，局部煤層尖滅，給采煤工作及采掘空間支護工作帶來較大挑戰。同時，對4 號區域的應力環境進行數值模擬測試及分析發現，當斷層附近圍巖未收采掘工程擾動時，其應力環境整體處在一個較高的水平，局部為應力集中區，且斷層帶上的巖體發生不同程度的塑性破壞。隨著采掘活動的進行，斷層附近的原始平衡狀態發生改變，圍巖原始弱面、節理逐漸擴張，形成新的及更大的裂隙，塑性區也不斷擴展，并向采掘空間發生位移，造成支護載荷及支護難度的增加。

2 斷層破碎帶注漿加固方案設計

2.1 注漿加固方案設計原則

采煤工作面超前預注漿加固頂板技術是通過地質勘探手段精準探測地質構造、頂板異常區后，根據不同類型地質構造在進、回風兩順槽相應位置設計施工不同孔深、間距等參數的深孔，并采用水泥加水玻璃、超細水泥等材料進行超前預注漿加固，覆蓋整個地質預測異常的頂板破碎區域，提高煤壁、頂板完整性和強度，減少片幫、冒頂，從而加快工作面推進速度[5-8]。根據斷層分布及產狀情況，結合本礦井注漿加固理論及實踐經驗，設計使用區段平巷內的分步預注漿加固方案，即帷幕孔、淺孔、中深孔、深孔綜合注漿加固方案，具體是當工作面推進至距離4 號斷層影響區約300～400 m 時，實施帷幕、淺孔及中深孔注漿，即第一次注漿；當工作面推進至距離4 號斷層影響區約30～50 m 時，利用前期注漿時預留的深孔注漿管，實施深孔二次注漿。

2.2 分步預注漿加固方案設計

設計在1123 工作面軌道巷內對即將推過的4 號斷層影響區進行注漿加固，注漿范圍在工作面570～640 m 里程標范圍內，對約70 m 的斷層破碎帶實施鉆孔注漿，整體注漿方案示意圖如圖1 所示。

圖1 1123 軌道巷分步預注漿方案示意圖

2.2.1 淺部帷幕孔注漿方案

為實施最早的注漿措施，控制距離軌道巷約5～6 m 的范圍。當距離斷層影響區300～400 m 時，在1123 軌道巷內施工帷幕孔，帷幕孔為五花型布置（如圖2 所示），底部孔距頂板2 m，頂部孔距頂板1 m，孔深3～4 m，孔徑為42 mm，設計使用無機水沙充填漿液進行注漿，注漿壓力控制在4～8 MPa。

2.2.2 淺孔注漿方案

在實施帷幕孔注漿后實施，控制距離軌道巷約35 m 的范圍。沿工作面走向，每隔10 m 施工1 個鉆孔，鉆孔開口處距離巷道底板1.5 m，孔深35 m，孔徑為94 mm；鉆孔后下注漿管，使用無機水泥漿液進行注漿，注漿壓力控制在5～15 MPa，使用高壓封孔法，封孔長度不低于3 m。

2.2.3 中深孔注漿方案

中深孔控制距離軌道巷約80 m 的范圍，沿工作面走向，每隔10 m 施工1 個鉆孔，鉆孔開口處距離巷道底板0.8 m，孔深80 m，孔徑為94 mm；鉆孔后下注漿管，使用無機水泥漿液進行注漿，注漿壓力控制在8～15 MPa，使用高壓封孔法，封孔長度不低于5 m。

2.2.4 深孔注漿方案

當工作面推進至距離4 號斷層影響區約30～50 m 時，利用前期注漿時預留的深孔注漿管，實施深孔二次注漿。深孔注漿控制距離軌道巷約120 m 的范圍，沿工作面走向，每隔10 m 施工1 個鉆孔，鉆孔開口處距離巷道底板0.8 m，孔深120 m，孔徑為94 mm；鉆孔后下注漿管，使用無機水泥漿液進行注漿，注漿壓力控制在10～15 MPa，使用高壓封孔法，封孔長度不低于8 m。

3 工程實踐及效果分析

按照設計的巷道超前注漿方案，共施打了24 個帷幕鉆孔，使用2ZBQS-15 型注漿泵共注漿6.8 t；共施打8 個淺孔、8 個中深孔、7 個深孔，使用ZBY1.5/32-22 型注漿泵注漿52 t。實施注漿加固后，斷層影響區域圍巖固結效果較好，回采期間因斷層影響，在半煤巖段及全巖段實施了多次爆破作業，工作面頂板及煤壁整體保持穩定，均未發生冒頂事故，無支架壓死情況發生，工作面順利推過4 號斷層影響區；同時，鉆孔施工及注漿共計因在工作面巷道內實施，對正常作業循環影響不大。

4 結語

采煤工作面過斷層是頂板管理過程中的一個特殊階段，如何在過斷層期間不發生大范圍的冒頂片幫事故，是一項重點工作，也是難點工作，除了加強頂板管理、提高液壓支架管理及操作水平等常規措施，實施斷層帶注漿加固也是一種較為有效的主動支護手段。筆者結合理論及實踐經驗，設計了一套分步預注漿加固方案，即帷幕孔、淺孔、中深孔、深孔綜合注漿加固方案，實施了現場工程實踐，有效解決了工作面過斷層期間的端面煤巖體破碎問題，規避了可能發生的大范圍冒頂片幫事故，注漿效果得到驗證，安全生產得到保障。