復雜條件下斷層超前治理技術研究與實踐

汪培落

（中煤新集能源股份有限公司劉莊煤礦，安徽 阜陽 236200）

回采工作面受斷層構造帶的影響，圍巖相對松散、破碎，完整性差，受工作面采動超前影響后，圍巖穩(wěn)定性進一步減弱，極易出現頂板超前抽冒、煤壁片幫，嚴重的可能會造成擠架、壓架、倒架現象，嚴重制約工作面安全高效回采。采用了超前注漿加固的方式對斷層影響范圍內的破碎圍巖進行了超前加固，根據斷層的產狀特征及賦存條件，提出了工作面斷層超前治理預注漿綜合技術方案，并進行了工程實踐，以期對采煤工作面過斷層提供借鑒。

1 概況

劉莊煤礦位于淮南煤田西部，行政區(qū)劃屬阜陽市管轄，東以F5 斷層與謝橋礦毗鄰，西以F12 斷層與口孜東礦接壤，南以F1 斷層（阜鳳逆沖斷層即淮南煤田南邊界斷層）及17-1 煤-1000 m 水平投影為界，北至1 煤層露頭。礦井設計生產能力800萬t/a，2018 年核定生產能力1100 萬t/a。

劉莊煤礦為煤與瓦斯突出礦井，地質類型屬于極復雜型，水文地質類型為復雜型。礦井范圍內探明的煤層共計30 余層，總厚度33.80 m，含煤系數4.79%。可采煤層13 層，自上而下分別為17-1、16-1、13-1、11-2、11-1、9、8、7-2、6-1、5、5-1、4、1 煤，總厚度為29.51 m，占煤層總厚度的87.31%。其中主要可采煤層5 層：13-1、11-2、8、5、1 煤，煤層累厚為19.96 m，占可采煤層總厚度的67.64%。其中13-1、11-2、8 煤為穩(wěn)定煤層，5、1 煤為區(qū)段穩(wěn)定煤層。131306 工作面布置如圖1。

2 斷層超前治理技術

2.1 治理方案

針對采煤工作面內已探明落差＞1.5 m 的斷層、落差＞3 m 且頂板破碎的斷層，回采過程中常常出現頂板破碎片幫掉落風險，為改善斷層附近圍巖條件，提高圍巖完整程度，采取超前注漿治理措施，主要分為兩步：一是超前工作面300 m（未受采動影響）靜態(tài)注漿，在工作面兩巷內通過精準鉆孔，采用滲透性強、固結圍巖程度高的無機注漿材料對斷層影響區(qū)域進行高壓預注漿加固；二是超前工作面50 m（受采動超前支承壓力影響）動態(tài)注漿，采用有機快速化學注漿材料對工作面松軟煤壁進行局部注漿加固。

2.2 材料設備

結合生產實際，兩巷超前靜態(tài)治理具有注漿路線長、滲透半徑大、強度高等特點，因而，注漿材料宜選用漿液流動性強、顆粒度小、膠結性高的材料，配比科學合理，能夠顯著提高注漿效果，改善過量的水導致的巖層弱化問題。工作面內靜態(tài)超前治理，需控制在檢修班施工，不影響生產班正常生產，因而，選用黏度低的動態(tài)超前注漿材料，能很好地滲入細小的裂縫中，黏合能力強與地層黏合效果好，柔韌性能夠承受隨后的地層運動，反應速度快，不影響工作面正規(guī)循環(huán)作業(yè)，具有良好的抗壓性能、高閃點、阻燃、不產生有害氣體的特點。

注漿泵選用注漿壓力大、輸送距離遠、漿液輸送量大的機具，因此，選擇適合長鉆孔斷層預注漿加固工藝的注漿機具，需滿足條件：注漿泵額定功率與設計注漿量匹配，注漿泵流量與設計注漿壓力匹配，注漿泵注漿壓力與設計注漿距離相匹配。

2.3 治理程序

為提高斷層超前治理效果，固化回采工作面斷層影響范圍破碎圍巖頂板，根據技術分析及現場實踐，對斷層治理全過程實施“五步法”管控。

2.3.1 精準預測預報

斷層超前治理鉆孔設計前，首先精準排查采掘范圍內斷層情況，對于采掘工作面斷距大于3 m（或大于煤厚）的斷層要進行精準預報，根據工作面已開掘巷道收集資料，結合物探、鉆探、順層鉆孔等技術措施綜合分析斷層在工作面內的賦存情況，編制斷層分析報告，每20 m 各繪制一沿工作面走向、傾向的地質剖面圖，圈定斷層可能擺動范圍，為斷層超前治理鉆孔設計提供基礎技術資料。

2.3.2 科學編制設計

斷層治理設計須明確淺孔帷幕注漿及深孔高壓注漿兩個方面。淺孔低壓注漿加固治理鉆孔開孔附近圍巖，深部鉆孔采用高壓劈裂注漿，提高漿液滲透半徑。鉆孔施工過程中，根據鉆孔實測資料及時更新地質資料，并完善治理鉆孔設計參數、設計原則。鉆孔施工時應考慮煤層傾角、斷層產狀、開孔位置、鉆桿漂移及回采層位等因素，根據鉆孔深度及測斜試驗結果確定鉆孔控制層位，設計終孔位于上翻盤煤巖交界面以上3～5 m，終孔位置水平方向要穿過斷層面3 m 左右，鉆孔施工需進行鉆孔測斜，實現精準打鉆。

1）淺孔帷幕治理鉆孔。為避免深孔高壓注漿過程中漏漿、串漿，采用帷幕鉆孔，加固巷幫煤體的同時形成封閉帷幕。沿巷道走向，在斷層影響范圍內施工巷幫水平鉆孔（五花型布置）。根據實際經驗，鉆孔間距3～6 m，孔徑32 mm，孔深5～8 m，采用膠囊封孔，Φ4 分鋼管注漿，注漿加固深度0～10 m，注漿終壓不低于4 MPa。

2）深孔高壓注漿鉆孔。依據地質資料，首先確定工作面回采坡度及層位，然后編制工作面斷層治理鉆孔設計。鉆孔分2 種：一是斷層探查驗證鉆孔，沿煤布置，提前施工，用于進一步探查驗證斷層位置及相關參數（工作面順層鉆孔可兼做探查孔使用），完善地質資料；二是超前治理鉆孔，根據修訂后的地質資料，完善斷層治理鉆孔設計，由工作面兩順槽開孔延伸至斷層裂隙，鉆孔須與斷層正交或斜交，以增大鉆孔穿過斷層裂隙幾率，鉆孔路徑須覆蓋斷層預計擺動范圍，鉆孔穿過煤巖交界面位置距離工作面回采層位頂板以上3～8 m，相鄰鉆孔煤巖交界面位置法線距離10～15 m，鉆孔孔徑94 mm，孔深不超過140 m，注漿壓力15～20 MPa。

2.3.3 精細組織施工

1）兩順槽超前靜態(tài)治理

① 造孔。依據斷層治理設計鉆孔，現場間隔施工第一組治理鉆孔，避免連續(xù)施工，治理孔間距較近，注漿鉆孔間相互串漿影響。對鉆孔逐個進行全孔深測斜下套管，注漿管采用1 寸鋼管+1 寸PVC實管+1 寸PVC 篩管（或使用Φ4 分或Φ6 分鋼管替代），靠近終孔20 m 范圍使用篩管，避免局部圍巖松軟破碎范圍塌孔，造成管壁與圍巖之間空間堵塞，影響注漿通道，時間不宜大于10 min，否則易造成巖層遇水弱化，影響注漿通道。

② 封孔。封孔質量直接影響施工安全及注漿的效果，封孔方式采用“兩堵一注”耐高壓囊袋封孔，即在注漿孔內設計封孔位置設置一個囊袋，在距孔口約0.5 m 位置設置另外1 個囊袋，通過囊袋上的注漿管注入封孔材料，待囊袋上的另1 個膠管出現返漿后，將返漿管扎牢，繼續(xù)注漿直至達到壓力1.5～2.0 MPa。兩堵一注封孔示意圖，如圖2。封孔要求：封孔膠囊須固定在直徑1 寸鋼管上，注漿鋼管長度比封孔長度長2～5 m，且封孔長度不低于15 m。深部注漿孔開孔附近，輔以淺孔帷幕低壓注漿（終壓4 MPa），保障封孔質量。

圖2 兩堵一注封孔示意圖

③ 洗孔。待封孔合格后，采用電動注漿機注清水洗孔，檢驗注漿機狀態(tài)、連接部件密封情況，以及沖開圍巖裂隙，為下一步注漿做好準備。

④ 注漿。洗孔后進行高壓連續(xù)注水泥漿液，終壓不低于15 MPa，待漿液凝固，施工剩余治理鉆孔。因第一組治理鉆孔注漿結束，對附近圍巖充填加固后，可提高鉆孔成孔率，實現全孔深下套管。為防止注漿間斷、漿液凝固堵塞管路及裂隙，執(zhí)行單孔連續(xù)注漿、全過程跟班制度，落實專人現場跟班監(jiān)管，每孔注漿達到終壓且穩(wěn)壓5 min 后，停止注漿，采用清水洗孔。待距離工作面50～150 m 范圍，過超前動壓影響后，對治理鉆孔進行二次復注漿。結合現場實際，現場進一步提高注漿效果。

2）工作面內動態(tài)治理

待工作面回采至距斷層破碎段50 m 以內時，根據現場實際狀況，利用檢修班時間，在面內交替布置壓茬淺孔，開孔位置距離底板1 m，壓茬不小于2 m，同一茬相鄰孔間距3～5 m，孔深滿足圓班工作面推進度需要，一般情況下6～10 m，水平方向垂直煤壁，豎直方向大于煤層傾角斜向上施工，終孔位于煤層頂板約2 m 處。鉆孔采用氣動手持式風鉆及其配套鉆具施工，全孔深安裝Φ4 分（或Φ6 分）鋼管，專業(yè)封孔器進行封孔，封孔位置距孔口1 m，配合氣動注漿泵注漿，注漿壓力0～4 MPa。巷道內鉆孔布置間距3～5 m，孔深6～10 m，采用氣動手持式風鉆、氣動錨桿鉆機及其配套鉆具施工，全程安裝Φ4 分（或Φ6 分）鋼管，封孔位置距孔口2～2.5 m，配合氣動注漿泵注漿，注漿壓力0～4 MPa。用于深孔注漿補充，固化斷層影響區(qū)域煤壁及直接頂附近松軟圍巖，降低煤壁片幫漏頂幾率。

2.3.4 細化效果驗證

注漿鉆孔逐個進行全程測斜，確保鉆孔施工到位、可靠有效；對比過斷層前、后片幫漏頂情況，較以往回采推進度情況；其他有效驗證手段。對比同一煤層（13-1 煤）、同一施工隊伍、條件相似斷層（H=13 m），面內全巖范圍影響均為40～90 m，經斷層超前治理工作面，頂板超前片漏影響大大減少。經統(tǒng)計，月推進度達110 m，較未治理工作面推進度提高30 m，效果顯著。

2.3.5 深入效果評價

斷層治理結束后，注漿單位負責各鉆孔注漿后掛牌管理和建立臺賬，并對治理全過程進行系統(tǒng)地分析評價。采掘工作面過斷層后，及時做好斷層超前治理效果分析總結，為后期斷層超前治理優(yōu)化提供依據。

3 斷層治理實例分析

3.1 工作面概況

131306 工作面為1313 采區(qū)第3 個工作面，為走向長壁開采，軌道順槽可采走向長1 132.9 m（平距），開采標高為-637.7～ -662.9 m；膠帶順槽可采走向長1 132.9 m（平距），開采標高約為-719.8～-747.6 m；設計工作面切眼長295.6 m（平距）；煤層傾角14°～20°平均16.5°，煤厚4.0～4.7 m。基本頂：泥巖，灰色，致密，性脆，具參差狀斷口，上部含植物根部化石碎片；直接頂：泥巖，灰色，致密，性脆，斷面平坦，含較多的植化碎片；直接底：泥巖，灰色-深灰色，致密，性脆，含植物化石，裂隙發(fā)育；基本底：粉砂巖，灰色-淺灰色，致密，性脆，含植物化石，具脈狀層理，底為菱鐵砂巖。

工作面F39-1 斷層（SW ∠50°～80°H=1.9～13 m）可靠。該斷層在131306 膠帶順槽實測落差13 m、軌道順槽實測落差1.9 m，貫穿整個工作面。沿回采方向，該斷層為下降斷層，距切眼910 m 處由膠帶順槽首先揭露，與工作面夾角約為53°，沿工作面回采方向共影響183 m，工作面內平均影響93 m。

3.2 過斷層方案

超前治理斷層，提高回采期間工作面頂板完好程度；合理控制工作面回采層位及坡度，工作面整體趨勢為西傾、煤層下降，距斷層面約15 m前俯采追煤，預計過斷層期間工作面回采俯角為2°～4°，根據斷層移動情況及時調整工作面回采角度，工作面內坡度保持19°以下，走向俯采坡度不得超過15°，保持底板平順，避免出現較大起伏，保障設備正常運轉條件；采取斜交通過斷層，膠帶順槽超前軌道順槽15～30 m，減少工作面內影響范圍；根據面內斷層變化情況，采用動態(tài)注漿進一步加固破碎圍巖；靈活調整采煤機進刀方式，減少大塊矸石對設備的影響；隨著工作面全巖段范圍增加，大塊矸石易堵塞采煤機出料口，及時將雙刀割煤方式改成單刀割煤；嚴格控制推溜方式，確保及時拉移支架，減少空頂時間，合理調整推溜順序控制運輸機下竄。

3.3 注漿實施方案

為確保斷層治理效果，分別從兩順槽施工斷層治理鉆孔進行注漿加固。淺孔帷幕與深孔高壓治理相結合，其中帷幕鉆孔共計設計8 個，兩巷各4 個，沿煤施工，五花布置；4 個探查鉆孔用于探查煤層實際賦存狀況，兩巷各2 個。14 個斷層治理鉆孔用于注漿加固，其中膠帶順槽8 個、軌道順槽6 個，2 個驗證鉆孔（兼做注漿鉆孔使用）。

首先施工帷幕注漿鉆孔，進行注漿加固封閉淺層圍巖；其次施工J14、J16、G27、G29 探查鉆孔，收集鉆孔資料，分析論證，修正斷層資料，進而完善斷層治理設計，并對驗證鉆孔進行封孔注漿加固；然后根據完善后的鉆孔設計，開始間隔施工斷層治理鉆孔，膠帶順槽分別為J7、J9、J11、J13，軌道順槽分別為G22、G24、G26；然后集中進行高壓注漿加固，連續(xù)作業(yè)，待2 個圓班，水泥初凝形成一定強度后，開始施工膠帶順槽J8、J10、J12、J15 鉆孔，軌道順槽G23、G25、G28 鉆孔，其中J15、G28 鉆孔兼做驗證鉆孔使用，因前期探查鉆孔及中間鉆孔已采取超前注漿加固，第二輪鉆孔施工期間有效降低鉆孔跨孔率，提高注漿通道完好程度，而后進行高壓注漿加固。鉆孔設計如圖3，鉆孔參數及注漿情況見表1。

表1 F39-1 斷層注漿孔參數表

圖3 131306 工作面斷層治理鉆孔設計圖（m）

3.4 超前治理評估

1）斷層治理孔于4 月7 日完成注漿及復注治理。該斷層兩順槽前期已揭露，結合順層鉆孔、鉆探、物探等資料，預計斷層參數與實際較接近，治理鉆孔施工層位較合理。通過隔孔注漿的方式，有效提高第二輪注漿成孔率，保障注漿效果。

2）斷層治理復注漿期間，各孔試壓均合格，高壓注漿壓力16 MPa，注漿期間無其他異常情況。工作面受斷層影響范圍，結合面內動態(tài)注漿加固方式，過斷層期間頂板穩(wěn)定，回采過程中未發(fā)生超前片漏（冒）現象，治理明顯，避免了重新掘進開切眼采用跳采方式避開該斷層。超前治理斷層后，工作面通過該斷層用時僅45 d，平均日進尺3.7 m，經濟和社會效益顯著。該斷層已初步治理完畢，工作面具備過斷層條件，待斷層揭露后，再根據實際揭露情況在面內施工鉆孔二次注漿加固頂、幫。

4 實施效果

1）131306 工作面過F39-1 斷層（H=0～13 m）期間，工作面推進方向影響230 m，工作面方向影響100 m，局部爆破輔助回采，工作面月推進度110 m，未出現頂板片漏、瓦斯、有害氣體監(jiān)測異常等情況，結合周邊礦井實踐，均取得良好的效果。

2）通過采取斷層靜態(tài)超前治理、動態(tài)面內加固措施，變過斷層為治斷層，提高斷層面附近圍巖完整程度，降低工作面推進期間斷層影響區(qū)域片漏風險，提高安全、經濟效益。

5 結語

1）采取“兩堵一注”封孔工藝，輔以帷幕注漿，可有效減少漏漿，提高了注漿壓力，使斷層破碎帶注漿終壓達到15 MPa 以上，確保了注漿效果。

2）注漿鋼管+PVC 實管+PVC 篩管相結合下管工藝、間隔注漿相結合措施，可有效提高下管深度、漿液擴散范圍，保障注漿效果。

3）回采工作面過斷層期間，通過采取“兩巷靜態(tài)治理先行、面內動態(tài)治理配合”超前治理措施，可有效控制頂板穩(wěn)定，解決頂板超前片漏、支架倒架、咬架、推進度緩慢等問題，促進工作面快速通過斷層。