注浆加固技术在工作面过断层中的应用

宋小朝

（山西阳城阳泰集团白沟煤业有限公司，山西 晋城 048000）

矿井生产过程中经常会遇到断层、褶皱、陷落柱等地质构造，当其具有一定规模时会对矿井正常生产带来较大的影响[1-4]。断层是其中最为常见的地质构造，对顶底板岩层产生破坏，造成围岩破碎、难以控制，易导致片帮、冒顶和支架压死等事故，影响工作面正常生产，甚至引发严重的安全事故。因此在回采过程中，对断层进行改造，解决围岩异常失稳问题就显得非常重要。本文通过对白沟煤业地质条件进行分析，提出对断层破碎带进行注浆加固和割顶留底的回采过断层方案，有效解决过断层期间围岩难以控制问题。

1 工作面概况

白沟煤业3301 工作面为走向长壁工作面，采用综采一次采全高生产工艺，直接垮落法管理顶板。工作面走向长1100 m，倾向长135 m，主采煤层3#煤，煤层较稳定，结构简单，煤层厚度2.71～7.49 m，平均5.8 m，煤层倾角3～12°，平均6°。煤层伪顶局部发育，为炭质泥岩，厚度小于0.3 m；直接顶为泥岩、砂质泥岩，厚度3.5 m；基本顶为中细粒砂岩（大占砂岩），平均厚度12 m；直接底为泥岩、粉砂岩，厚度1.8 m；基本底为细砂岩，厚度5.5 m。

3301 工作面为一单斜构造，西北高东南低，倾向约135°，坡度平缓。工作面构造条件较简单，掘进期间共揭露落差大于1m 的断层3 条，断层参数见表1。其中F3 断层在回采范围内发育长度约为136m，该断层走向141°，与工作面走向近正交，因此工作面在回采过程中要直接快速通过，减少对生产的影响。本次以F3 断层为例，对工作面快速过断层技术工艺进行研究。

表1 工作面断层参数表

2 工作面回采过断层技术

在工作面回采接近F3 断层10 m 前首先完成调斜工作，即利用刮板最大弯折角，通过多次局部回采调整工作面斜度，使工作面上巷超前下巷约14 m，保证工作面与断层平行，全断面一次直接通过断层，减少断层对回采的影响时间。

调斜工作完成后，采用割顶留底的方法通过断层。F3 断层的最大落差3.6 m，未将煤层全部断开，煤层顶板岩性为泥岩，在通过断层时可以采用截割上盘煤层顶板岩石留底煤的方法，能够保证回采过程中顶板一直为泥岩，可以较好地对顶板进行控制。F3 断层为正断层，贯穿整个工作面，走向141°，倾角71°，落差3.6 m，起坡角定为7°。回采过断层剖面图见图1。

图1 回采过断层剖面示意图

经计算可得L1=26.2 m，L2=24 m。因此综采液压支架的起坡位置为底板断煤交线前约24 m 处，即工作面回采191 m 后开始起坡（工作面调斜后）。

3 断层注浆加固方案

3.1 断层注浆加固机理

工作面在回采过程中内侧煤岩会受到超前动压的影响，改变了一定区域范围内围岩的应力状态。断层附近本身煤层及顶底板破碎，属于应力集中区和薄弱带，因此应力极易传导至该区域，加剧顶底板及煤层的破碎情况。通过对断层破碎带进行注浆加固，使浆液进入破碎岩体的裂隙中，将破碎煤岩体重新胶结，可以大大提高煤岩体的支撑强度。注浆改造改变区域内岩石力学性质，使其胶结为一整体，裂隙中的浆液凝固后形成了网状骨架式结构，增加了破碎岩石的粘聚力，加强围岩的稳定性和支撑能力，可以保证工作面正常回采通过。

3.2 注浆材料选择及配比

本次对断层的注浆改造选用马丽散为注浆材料。该材料具有良好的渗透性和胶结性，凝固后强度较高。马丽散是由催化剂和树脂按照1:1 的配比混合而成，混合后浆液粘稠度降低，可以在破碎岩石裂隙中快速渗透并胶结，在短时间内对煤体进行加固，有效提高破碎围岩的支撑强度。

3.3 注浆钻孔参数设计

本次断层改造采用局部注浆方案，即通过对3301 工作面煤层和顶板情况进行观察，在片帮严重以及顶板破碎区域进行注浆。钻孔布置图见图2。3301 工作面的日回采进度为3 m/d，为了确保工作面高效回采，同时保证马丽散有足够的凝固时间，决定超前断层20 m 对回采前方顶板和煤体进行注浆改造。3301 工作面回采作业采用三八制，为了不影响工作面推进度，选择在检修班进行工程施工。

图2 注浆钻孔设计图

（1）通过对3301 工作面煤岩破碎情况进行分析，确定注浆深度为8 m，钻孔孔径为42 mm，封孔器位置选择在距孔口2 m 处。为提高注浆效果，本次采用上下两排钻孔设计，上排钻孔布置在顶板以下1 m 处，下排钻孔布置在底板以上2 m 处，上排钻孔和下排钻孔仰角分别为15°和5°。

（2）通过试验可知马丽散扩散半径大于2.5 m，为了充分保证破碎煤岩体的注浆效果，设计注浆钻孔间距为4 m，注浆钻孔呈三角形布置。

（3）破碎岩体的吃浆量是衡量注浆效果的重要因素。通过理论计算和现场注浆试验，确定本次注浆的单孔注浆量为400 kg，且采用间歇注浆法保证注浆效果。

（4）合理的注浆压力选择能够保证注浆量，提高注浆效果。注浆压力过大会造成岩体劈裂，产生人为破坏，浪费浆液，同时容易使工作面煤壁产生片帮；压力过小无法保证微小裂隙的填充效果，减小扩散半径，注浆效果较差。根据以往经验和现场试验，确定本次的注浆压力为12～15 MPa。

4 应用效果

为对注浆后破碎岩体进行检验，本次通过钻孔窥视仪对注浆前后的顶板性质进行观察，见图3。在利用马丽散对顶板岩层进行改造后，浆液渗透入岩体裂隙中，对裂隙进行填充，使顶板破碎岩体胶结为一整体，加固效果较好。由于煤层顶板主要以泥岩为主，岩石强度较低，容易受到断层和采动应力的叠加影响，导致顶板破碎，发生冒顶和压架情况。本次对煤岩体进行注浆改造后，工作面在回采过程中未发生较大的片帮冒顶事故，顺利回采通过工作面，验证了注浆加固效果。

5 结论

（1）针对工作面回采过断层时容易因顶板岩体破碎引发冒顶和压架事故，为提高回采进度，提出了调斜旋转回采和割顶留底的回采方案。

（2）根据3301 工作面的地质条件，选择了马丽散对破碎区域进行注浆改造，合理设计注浆参数。经钻孔检验，对比了注浆前后顶板裂隙发育情况，证实了顶板改造效果较好。

（3）本次通过对断层区域进行注浆加固，改善破碎煤岩体力学性质，提高了工作面顶板的稳定性和煤岩承载能力，确保顶板破碎严重区域的注浆效果，为工作面快速、安全通过断层提供了保障。

图3 注浆效果检测