回坡底煤矿10-113综采工作面过断层注浆技术应用研究

秦 潞

（霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公司回破底矿，山西 洪洞 041600）

1 工程概况

山西焦煤霍州煤电集团回坡底煤矿10-113综采工作面，位于磊上村以北，东沟前河村庄西南，地表无小煤窑、塔架线路等构筑物，区域地形最高点（+916m）位于前河村庄南部420m处（井下对应10-1131巷运输联巷），最低点（+817m）位于柴家垣村庄东南部650m处（井下对应10-1131巷700m处）。根据10-1131、10-1132巷掘进时所遇的地质情况，可以断定10-113综采工作面在回采时，会揭露断层9条，陷落柱1条，其中F120断层会对回采造成较大的影响，该断层为贯穿工作面的正断层，位置在7#点前6m，倾向为131°，倾角为57°，断距为3.1m。工作面采用综合机械化一次采全高全部垮落采煤法，最大采高为6.3m。

2 断层围岩破坏分析

2.1 工作面围岩的相似模拟

根据从现场取样试验与相关地质资料，来对本次试验中岩层进行相似材料的选择及配比，试验采用平面应变模型，模型尺寸设计为：长为4300mm，宽为180mm，高为2700mm，主要材料选择沙子，同时添加石灰、石膏与缓凝剂来达到与原岩相同物理参数的相似材料。在进行试验前，需进行多次试验，来验证所配比的相似材料与原岩层的力学特性相似，以求达到最佳的配比。根据实际试验场合及仪器尺寸，对各层材料选择相应的厚度，并计算整个模拟材料的体积，并着手开始安装试验。

2.2 相似模拟结果分析

在整个模型完全干燥硬化后，开始对仪器设备进行调试并开始试验，具体试验结果如图1所示：

图1 相似模拟结果图

如图（a）所示，在模型稳定之后，在其一端留10cm的煤柱并在工作面处安装一个支架，，此时距断层72m，工作面整体稳定；如图（b）所示，在距离断层48m时，受上层裂缝影响下，顶板发生垮落，并且裂缝在逐渐扩大；如图（c）所示，此时工作面距断层48m，顶板垮落17.4m，增加了13m，此时相当于2.1个采高，而工作面顶板的垮落速度依旧在增大；如图（d）所示，此时工作面回采至距断层9.6m处，顶板垮落在此处达到最大值，达到34.1m，相当与5.18个采高，并且顶板垮落不在增加；如图（e）所示，此时回采工作面达到断层处，此时由于采空区内矸石与支架的支撑作用，不在发生冒顶现象，上层围岩随着裂缝发生轻微滑动，而上层岩层形成“砌体梁结构”，所以依旧保持维持稳定；如图（f）所示，此时工作面已经过断层12m，此时破裂区由于没有支架的支撑作用，整体沿着裂缝开始下沉。

通过相似模拟实验结果分析，由于工作面向断层回采期间，受断层的影响，顶板会发生垮落现象，而可能导致液压支架的工作阻力升高，造成压架的事故发生；同时伴随着煤壁会大概率出现片帮的现象，会对正常回采工作造成影响，需要及时对工作面围岩进行加固控制，以确保可以安全完成回采工作。

3 注浆技术应用及效果

3.1 顶板控制措施[2-3]

通过相关文献与对现场实际调查取样，并基于相关理论与经验计算，决定对工作面岩层进行注浆作业，以达到对其加固的目的。根据相似模拟实验的结果分析，工作面向断层推进至距断层48m时，液压支架开始受到断层的影响，工作阻力开始增大，且在距断层10处，顶板发生最大垮落度，达到整个采高的5.1倍，此时支架压力会迅速增大，而工作面通过断层后，压力迅速减小到比较低的范围，因此断层对工作面顶板的主要影响范围在48m处，而根据理论计算与试验验证，决定在工作面距断层前20m处实施超前注浆加固，直到断层过断层后15m位置。

3.2 注浆参数确定

对于现场的围岩破坏研究和理论分析，经矿方决定10-113综采工作面在遇断层期间，围岩受断层影响较大，为防止回采期间发生冒顶或者煤壁发生片帮的现象，需进行超前注浆，同时在现场发现，在断层附近，会出现少了冒水现象，因此注浆材料选取水泥混合水玻璃，来对工作面围岩进行超前注浆。

1）注浆孔确定。为了是加固效果更好，以防止断层附近破碎区的因回采影响而继续发展，根据回采工作面围岩裂顶板的破裂情况，经理论计算后，同时考虑围岩加固效果与经济效益，最高注浆孔深度选择为6m；选择布置两排注浆孔，第一排距巷道底板2m处，第二排布置在距顶板1m处，每隔4m布置一个注浆孔，注浆孔布置如图2所示，封孔时，根据注浆孔的实际情况，封孔器应该距注浆孔口1500mm；。

图2 注浆钻孔布置

2）单孔注浆量确定。单孔注浆量时决定注浆效果的主要因素之一，同时注浆的压力、时间也会对注浆的实际效果造成影响。经过现场观察与理论计算，为达到最优效果，既能最大程度上加固巷道围岩，又能省工省料，决定单孔的注浆量为350kg为最佳，注浆时可以根据实际情况随时调整。

3.3 注浆加固施工工艺[5]

图3 注浆加固工艺与设备

3.4 注浆工艺流程

1）首先对注浆材料进行准备，本次注浆根据现场实地请考虑，决定采用水泥混合水玻璃的混合注浆，同时准备所需的压力泵、注浆管等注浆所需基本设备。

2）将所准备设备与注浆管，注浆泵相连，监测连接设备是否有漏液的现象，压力是否满足工作需求。

3）开始注浆，注浆使用的玛丽散树脂与催化剂，分别使用两根吸料管与注射泵相连，在工作时，这两种注浆料会通过注射泵的作用下，进入到高压胶管；高压胶管一端连接注射枪，两种喷浆了混合后，通过注浆管注入到注浆孔内，并在注浆泵的高压作用下，渗透到岩层内的缝隙中，从而达到对围岩层加固的作用。根据实地情况，可以灵活调整注浆情况。

4）停止注浆。在注浆达到预计要求或注浆量的扩散半径达到预计位置后，即可停止注浆，并对注浆孔进行封孔。

5）换孔注浆，重复2～4的相关施工步骤。

6）清洗管路，在注浆完成后，需及时进行清洗管路，防止管内注浆孔凝固，注浆泵与管路堵塞。

7）注浆结束，对注浆工作面进行维护与观测记录，有任何问题及时汇报。

3.5 围岩控制效果

为分析断层对大采高工作面的影响并验证在此处应用围岩控制效果,对断层影响区域范围内注浆后，对顶板变形量进行为期两周的监测，监测点主要布置在距断层5m的1号断面，距断层10m的2号断面，通过对断面变形量来分析工作面遇断层期间的矿压显现特征。

图4 注浆后顶板变形量变化

有检测站的实际检测的图可知，在对巷道围岩进行注浆之后，随着回采的的推进，工作面围岩依旧保持稳定状态。1号断面顶板最大变形量19.5cm，之后逐渐趋于稳定；2号断面顶板变形量在5-5前，变形显著，之后逐渐趋于稳定，最大变形量在18cm。由现场观察记录得，在回采工作面过断层时，并未发生冒顶现象，液压支架工作正常，没有发生压架现象，说明工作面围岩控制效果良好，工作面顺利通过断层。

4 结语

为了探究注浆对工作面过断层的应用效果，本文以回坡底煤矿10-113综采工作面过断层为研究对象，通过相似模拟实验，得到断层对回采工作的影响范围，经过理论计算与基于实际情况考虑，决定对工作面围岩进行注浆作业，以确保回采作业可以安全进行；在按照安全规程完成注浆之后，并对注浆效果进行现场检测，通过对注浆后的顶板变形量观察，可以确定注浆对工作面安全通过断层具有良好应用效果。