综放工作面过断层超前注浆加固技术研究

刘忠斌

(山西汾西正旺煤业有限责任公司，山西 孝义 032300)

回采工作面过断层时由于受断层影响，容易发生片帮、冒顶事故，给采面正常生产带来不利影响[1]。注浆加固是稳定煤岩体的常用技术措施，根据注浆材料不同可分为高分子化学注浆以及无机注浆[2]。化学注浆可以在提升煤岩体稳定性方面表现出较好的应用效果，但是也存在高温下容易产生有害气体、价格昂贵、污染等问题，同时，由于凝固时间短仅能用于浅孔，因此需要在回采工作面进行注浆，不仅会给采面生产带来一定影响，而且还会出现部分浆液流入采空区或者顶板空洞内，浪费注浆材料[3-5]。而新兴无机注浆材料具有与有机高分子材料相接近的性能，同时材料固结后的强度、固化速度、强度增加等方面可以媲美高分子材料，但是却无高分子材料有关的缺陷[6]。因此，正旺煤矿在综放开采工作面采用此注浆材料用以采面过断层加固中，取得显著应用效果。

1 工程概况

11103工作面位于一采区北侧，北邻二采区准备巷道，东邻首采区大巷，南邻102工作面，西邻井田边界。采面上部为2号、9号煤层采空区。11103工作面开采10号、11号煤，倾角2°～8°,厚度7.85 m，结构由较简单～复杂，煤层顶板为泥岩，底板为泥岩。采面位置关系见图1。

图1 采面位置关系

2 注浆材料

选用的注浆材料为凯密安无机加固材料，该材料主要成分为无机矿粉，是一种新型的矿用环保型注浆加固材料。该材料分为单液、双液两种形式，其中，单液材料具有失流时间长，材料加水搅拌后30 min～40 min内仍具有较好的流动性，约120 min～180 min浆液失去流动性，可以满足浆液短时间存放以及深孔注浆时需要较长时间扩散需要，浆液在10 h～12 h后得以完全硬化，24 h后抗压强度即可达到20 MPa;双液材料由于具备速凝、早强等特点，可用于采面浅孔注浆及封孔等，两种浆液在混合之前24 h内不会出现沁水、凝固、沉淀等问题，浆液混合后3 min～10 min即可凝结，当水灰比按0.8∶1.0混合1 h～8 h后，浆液凝固后强度可达8 MPa～14 MPa。具体凯密安性能参数见第128页表1。

3 超前注浆加固方案

注浆是为了提升断层破碎带稳定性，由于受断层构造影响煤壁裂隙更为发育，采用浅孔注浆时容易出现跑浆、漏浆等问题，不仅造成注浆材料浪费，而且达不到预期注浆效果。因此，注浆选用浅孔注浆对表层煤体裂隙进行封堵、深孔注浆提升断层破碎带围岩强度注浆方案，具体为，先采用双液浆进行浅孔注浆封堵煤壁裂隙，后采用单液浆进行深孔注浆。

表1 凯密安性能参数

3.1 注浆钻孔布置

为了提升钻孔利用率，降低注浆成本，决定利用瓦斯抽采钻孔作为注浆孔对断层破碎带进行加固。

浅孔注浆布置在11103工作面回采巷道内断层破碎带影响区域内，注浆孔分两排布置成三花眼状，其中，上、下两排钻孔距离巷道底板间距分别为2.5 m、1.0 m，仰角分别为3°～4°、1°～2°m，钻孔间距、孔深分别为3.0 m、5.0 m，孔径50 mm，具体注浆孔布置见图2。

图2 浅部注浆孔布置示意图

3.2 注浆孔封孔

采用两堵一注方式封孔，封孔长度为4.0 m，采用的封孔管为孔径20 mm钢管，其余管路为32 mm孔径PE管，PE管与钢管间通过插接方式连接，具体封孔方式见图3。封孔材料选用速凝双液料。

图3 注浆封孔示意图

3.3 注浆工艺

3.3.1 注浆压力

注浆压力过大或者过小均不能起到较好的注浆效果，压力过大时会在煤体内产生新的裂隙同时将阻力小的裂隙贯通，增加跑浆、漏浆程度；压力过小时起不到应有的注浆效果。根据现场情况，深孔注浆压力为15 MPa，当漏浆或者跑浆严重时压力降低至8 MPa～10 MPa；浅孔注浆以及封孔注浆压力选择为8 MPa～10 MPa，当漏浆或者跑浆严重时可将注浆压力降低至6 MPa～8 MPa。

3.3.2 注浆量

注浆量与注浆钻孔长度、煤体内裂隙发育程度以及注浆压力等参数密切相关，合理的注浆量应能确保注浆区域注浆后有显著的加固效果；若注浆量过大则会造煤体内产生新的裂隙，破坏煤岩体稳定性，经过初步估算，深孔注浆孔单个钻孔注浆量为2 000 kg。

3.4 合理注浆时机

浅部注浆孔施工完成后即可进行注浆，从而封孔表层煤体裂隙，为后续深孔注浆提供止浆层。采面开采后前方煤体支承压力分布具体见图4。

图4 采面前方支承压力分布示意图

在原岩应力区内，由于煤岩体裂隙不发育，深孔注浆效果不明显，若采用较大的注浆压力强行注浆，则注浆后的煤体强度未能较原始煤体注浆强度大，同时，在原岩应力区后续还会受到采面明显影响，加固后的煤体会再次出现裂隙，从而影响加固效果，不能起到防止采面顶板冒落、煤壁片帮等作用。应力增高区内裂隙发育，可注性较强，但是高应力增加注浆难度，注浆浆液在煤体内流动以渗漏、劈裂注浆为主。在应力降低区内煤体破碎、裂隙十分发育，煤体基本丧失承载能力，可注性好，但是对注浆加固材料强度要求高，同时注浆会造成大量浆液外漏，浪费现象明显。综合上述分析，深孔注浆应在应力增高区的后半部分，结合矿井采面推进速度、注浆浆液凝固时间，综合确定回采工作面与断层他相距50 m时开始进行深孔注浆。

4 现场注浆实践

4.1 浅孔注浆

浅孔注浆在深孔注浆之前完成，选用的注浆材料为双液浆，选用的注浆泵为气动双液注浆泵，注浆现场布置盛浆桶、搅拌桶各两个，并配备相应的注浆管及混合器。

4.2 深孔注浆

注浆点位于11103工作面回采巷道内，注浆不会对采面正常生产带来不利影响。注浆浆液为单液浆，具体注浆系统结构见图5，选用的注浆泵型号为ZBYSB100/20-18.5。

图5 注浆系统

在采面回风巷断层带附近9个瓦斯抽采钻孔、风巷8个瓦斯抽采孔内注入凯密安单液浆分别为20.7 t、19.2 t，单个钻孔的注浆量分别为2.3 t、2.4 t。

4.3 注浆效果

为了对注浆后的采面围岩完整性进行验证，采用钻孔窥视对注浆前、后的顶板岩层情况进行窥视，具体对比结果见图6。可以看出，采用凯密安单液浆注浆后，浆液在断层破碎带围岩中扩展、固结效果明显，可有效充填破碎岩层裂隙，起到固结作用，提升了煤岩体稳定性。

采面在推进过断层期间，未出现明显的顶板冒落、煤壁片帮问题。

图6 注浆前、后顶板岩层窥视对比结果

5 总结

1) 注浆选用的凯密安加固材料加固性能与有机高分子材料类似，但没有有机高分子材料价格昂贵、污染环境等缺陷。在正旺煤矿11103综放工作面过断层时采用该新型无机注浆加固材料提前对断层破碎带进行注浆加固，现场应用围岩控制效果。

2) 注浆时应根据注浆地面实际情况合理选择注浆实际，根据11103综采工作面实际情况，深孔注浆实际为采面与断层相距50 m范围时，此时注浆煤层可注性较好，同时又可降低采面生产对注浆加固区的影响。

3) 在11103综放工作面采用瓦斯抽放孔作为注浆钻孔，即可降低注浆钻孔施工工程量，又可避免后续钻孔钻进对煤体损伤，实现了一孔多用的目的。