初采工作面过断层注浆加固及回采工艺技术研究

李 伟

（晋煤集团赵庄二号井，山西 长治046600）

0 引言

断层是我国煤炭资源开采过程中经常遇到的不良地质条件之一，由于断层的地质历史成因，其岩层往往较为破碎，完整性差，甚至含有地下水，进一步弱化了围岩的整体强度，给煤炭资源的开采带来了一定的影响[1-2]。断层破碎带对围岩及顶板的安全影响很大，而断层区域所含资源在开采过程中也不能舍弃，因此必须采取合适的技术措施通过断层破碎带，从而达到安全高效的开采[3-4]。

1 工程概况

图1 切眼揭露断层位置图

目前赵庄二号井2309初采工作面设备已经安装完毕，工作面切眼情况如下：工作面切眼倾斜长170m,安设ZF5400/17/34型液压支架106架,机头、机尾共安设ZFG5600/18/33型过渡支架7架。在切眼内揭露3条正断层FS58、F24、F23，2309工作面切眼揭露断层位置平面图如图1（a）所示，剖面图如图1（b）所示。

2 注浆加固技术

2.1 破碎带注浆加固

工作面切眼揭露的断层带围岩较为破碎，整体性差，为保证顶板及围岩的安全，确保2309初采工作面初采的顺利进行，结合工作面切眼实际情况经研究决定采用超前注浆加固技术对破碎围岩体进行注浆，从而实现对围岩性质的优化。注浆加固技术的基本原理为通过浆液粘聚性、膨胀性、密弹性、流动性等，使破碎的围岩体聚合致密。2309初采工作面注浆材料采用玛丽散，玛丽散是高分子树脂材料的一种，遇水或遇催化剂后发生化学及和物理反应发生膨胀，膨胀后具有较好的密弹性。为保证注浆加固能够达到预期的加固范围，还需采用适当的注浆压力，使用高压泵将浆液注入围岩破碎带中，浆液在高压的作用下渗入裂隙带，直至达到预定的位置，浆液会在一定时间内发生凝固，凝固后的浆液便可将破碎围岩体粘结起来，形成较为完整的围岩，增强围岩的强度和稳定性。而在高压浆液作用下，一些脆性岩体可能发生压裂，即使如此，压裂后的围岩体在浆液凝固后形成新的完整围岩体，其力学性能甚至优于原围岩体，可减少支护结构所承受的压力。

分析2309初采工作面切眼揭露断层情况，发现切眼距离断层25m时，工作面支架受断层影响较大，在距离断层10m左右时，顶板进入断层破碎带，通过断层15m后，支架压力开始减小，结合以上分析，2309初采工作面注浆加固范围确定为：切眼距断层前20m和切眼过断层后15m。

工作面注浆加固技术，在一定程度上会影响正常的开采作业，因此，应当制定合理的工作制度和管理措施，来保证注浆加固和工作面开采的协调进行，避免发生窝工和进度延迟，从而保证初采工作面快速通过断层带，进入正常开采状态。

2.2 注浆参数

1）注浆孔布置。根据2309初采工作面的地质条件和现场围岩破碎情况，注浆孔深度定为5.5m，注浆孔孔径40mm，孔口1.5m段为封孔位置，由于工作面揭露的断层围岩破碎情况较为严重，因此，注浆孔采用双排布置方式，上层注浆孔布置在工作面顶板下方1m，钻孔仰角15°，下层注浆孔布置在底板上方2m，钻孔仰角15°，钻孔间距为4m。2309初采工作面钻孔布置图如图2所示。

图2 2309初采工作面注浆钻孔布置图

2）注浆量。注浆量是影响注浆加固效果的重要因素之一，若注浆量过少则不能达到有效的注浆范围，注浆量过多则造成浪费不经济，因此选取合适的注浆量就显得十分重要。注浆量受围岩地质情况、注浆压力等的影响，本文采用先期注浆试验的结果，经过理论分析和现场验证，注浆量确定为400kg/孔，由于注浆量较大，注浆方式应采用间歇式，在实际注浆过程中，地质条件具有不确定性，应根据实际需求随时调整注浆量。

3）注浆压力。在注浆过程中浆液的动力即来源于注浆压力，注浆压力不足带来的影响为浆液不能扩散至需要的位置，从而加固效果不佳，注浆压力过大带来的不良影响则是迫使围岩体发生过多的压裂现象，甚至造成浆液冲出围岩。同理，结合先期注浆试验，注浆压力确定为10MPa。

2.3 注浆加固工艺

2309初采工作面，所采用的注浆加固设备如图3所示。

图3 2309初采工作面注浆设备

注浆加固具体工艺流程为：

1）设计注浆参数。注浆参数主要有注浆孔的布置形式如孔深、孔径、角度和间排距，以及注浆压力、注浆量，需要说明的是所设计的注浆参数，在实际施工中并非一成不变的，而应根据实际情况随时调整，来保证注浆效果的实现。

2）注浆孔钻进。2309初采工作面所布置的注浆孔间距较小，因此，若同时进行注浆孔钻进施工，则相邻注浆孔可能相互影响，从而发生塌孔现象，故注浆孔的钻进应间隔进行，即先钻进一部分注浆孔，待其注浆完成后在钻进相邻的另一部分注浆孔。

3）安装注浆设备。注浆设备按照其相对位置进行连接安装，安全完成后，应进行预试验检验设备的合理性以及安全设施的可靠性。

4）注浆作业。启动注浆设备开始注浆作业，作业过程中应特别注意注浆压力的变化，若发现注浆压力发生突变或注浆压力不稳定，应立即停止注浆，探明原因并采取措施后方可继续注浆，同时，注浆作业过程中应有专门的安全措施。

5）注浆停止。注浆量达到预定要求，且无其他异常情况时便可停止注浆，之后，对注浆管路及注浆设备进行冲洗，保证下次的使用。

3 回采工艺措施

过断层时除采用科学合理加固措施保证工作面围岩体稳定以外，尚需采用适当的回采工艺，从而与加固措施相辅相成、相得益彰，达到最佳的过断层效果，减少遇到断层所带来的损失，根据2309初采工作面的实际情况，主要采取以下回采工艺技术来进一步保证安全的通过断层带。

1）加快推进速度。工作面遇到断层破碎带时，在破碎带前后一定距离和范围内，发生支架工作组阻力增加，处于较高的压力状态，此时，应快速推进，减少支架处于高压力状态的时间，同时，也可减少围岩的变形量，避免出现变形过大。快速推进的具体方法为，工作面快要揭露断层时采用浅割快跑的作业方式，即采煤机进刀量减小，割煤速度提升，从而在较安全的前提下加快推进速度。

2）增大支架初撑力。支架初撑力的提升可保证支架与围岩紧密接触，减小围岩变形量，达到最佳的支护效果，增大支架初撑力主要通过以下方法实现，首先应将支架的供液压力提高，保证管路的密封良好，可采用增压器等来提升供液压，其次应保证有足够的供液时间，避免时间不足造成的阻力下降。

3）加强顶板支护。由于断层带的围岩较为破碎，给工作面顶板管理带来了很多的问题，而顶板又是决定工作面安全性的主要因素，因此，工作面通过断层带时应特别注意加强顶板的支护，首先必须有合理的支护设计，其次保证支护施工达到质量要求。

4）合理的管理制度。工作面过断层是工作面推进过程中的特殊时刻，因此，必须对管理制度做出相应的调整，如加强设备的检修力度，确保设备的稳定可靠，建立工作面支架阻力，围岩位移等数据观测和记录制度，定量分析围岩的稳定性，并做出预警预判。

4 结 论

1）针对晋煤集团赵庄二号井2309初采工作面揭露断层破碎带的实际情况，提出采用注浆加固技术对破碎带围岩进行加固，并对注浆参数及注浆流程进行了设计。

2）为保证2309初采工作面顺利通过断层破碎带，从推进速度、支架初撑力、顶板支护、管理制度详细阐述了应采用的回采工艺措施。