预注浆技术在综放工作面过断层中的应用

任学军

【摘 要】 文章針对综放工作面过断层时底板松软、下陷问题，提出采用超前注浆方式来加固断层破碎带煤层，使综放工作面平稳顺利通过断层带。研究结果表明：1）选用单液水泥浆、化学浆液交叉方式，发挥不同浆液优势，可提高注浆加固效果;2）注浆浆液在松软破碎煤体中形成胶结骨架，显著提高了煤体承载能力，可有效避免刮板输送机、液压支架等设备陷入底板问题;3）采面在过断层期间综放设备未再出现下陷底板问题，整个推进过程较为平稳。研究成果为其他矿井工作面过断层带底板松软、下陷问题提供一定参考借鉴。

【关键词】 注浆加固;断层破碎带;松软煤层;综放设备

【中图分类号】 TD823 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）05-0006-03

断层是煤炭开采过程中常见地质构造，采面过断层破碎带时若不能针对性采取防治措施往往会出现煤壁片帮、顶板冒落等问题，给矿井正常生产带来不利影响。随着矿井综合机械化开采水平的提升，采煤机、液压支架功率、重量不断增加，当综放设备推进至断层破碎带附近时由于岩层本身承载能力差，容易出现综放设备下陷问题，给采面正常生产带来不利影响。注浆加固是提高岩层承载能力的重要技术措施，文中就预注浆技术在综放工作面过断层中的应用进行分析，以期研究成果为其他类似工程问题提供借鉴。

1 工程概况

山西某矿开采的8号煤层地质构造复杂，井田范围内断层发育（以正断层为主），矿井8110综放工作面开采的8号煤层厚度7.15m，煤层结构复杂，夹杂4～7层高岭石、炭质泥岩夹矸。

8110综放工作面开采范围内受到DF42（H=7.2m，195°∠42°）、DF52（H=5.2m，117°∠36°）影响，造成采面中部存在宽50m、长约400m的煤层破碎带，在该破碎带内煤层底板下陷0.5～3.8m，且较为松软。

2 注浆加固设计

采面开采时DF42、DF52断层主要影响是造成煤层底板下陷、煤体破碎且松软，无法给刮板输送机、液压支架提供足够承载力，为此注浆加固的重点是对破碎松软的煤体进行加固。

2.1 加固方案

根据8110综放工作面开采地质条件以及矿井生产现状，经过综合分析决定在采面运输巷向采面煤层下陷区进行注浆加固，具体加固范围为采面前方950～1365m。在采面前方950～1210m范围内煤层下堑到底板0.5～1.3m，煤体松软，设计的注浆钻孔间距为3m、孔深为30～50m;在采面前方1210～1365m范围内煤层陷入到底板1.25～3.8m，注浆孔间距仍为3m、孔深为25～30m。钻孔布置角度依据底煤厚度变化进行调整，确保有效注浆区域可覆盖整个底煤区。

在采面950～1210m、1210～1365m范围在运输巷布置注浆孔，钻孔间距3m、孔深25～50m，开孔位于巷道底板上方1.0m处。由于煤层下堑底板深度在0.5～3.8m，经过计算钻孔倾角应位于3～11°，为了便于现场施工，将钻孔倾角统一为8°。注浆钻孔布置设计图见图1。

2.2注浆材料确定

提升破碎煤岩体承载能力及稳定性的加固材料可分为化学浆液（有机类）、水泥类浆液（无机类）两类。化学浆液为高分子材料，一般用于封堵加固裂隙较小的煤岩体;水泥类浆液主要用以充填、加固裂隙较大的煤岩体。根据采面情况，注浆先选用单液水泥浆（P·O42.5硅酸盐水泥配制），若加固强度或加固效果不满足需要时则选用化学浆液（无毒、安全的改性脲醛树脂）。

受到断层影响在注浆区域内煤体松软，注浆难度较大，在注浆过程中应注意调整水泥浆液浓度以及化学浆液配备（A、B料配比）。根据有关研究成果，化学浆液A、B料按照3∶1配比时可提升松软煤体注浆效果。

2.3注浆孔封孔

在钻孔注浆初期选用止浆塞进行封孔，但是由于注浆压力大封孔效果不佳，部分浆液从孔口溢出。后经过反复改良、试验后最终选用孔口封孔结构（见图2）进行封孔，该装置通过2根（一根长3m、一根长6m）孔径29mm孔口管（无缝钢管），3m长孔口管用以注浆（马丽散）实现孔口封堵，通过孔口管两端的麻丝来减少封孔浆液的泄漏量;6m长孔口管用以钻孔注浆加固。

2.4浆液有效扩散半径

注浆浆液有效扩散半径与注浆浆液浓度、注浆工艺、注浆时间以及浆液浓度等参数有关，通常注浆时浆液优先沿着裂隙发育面扩展，浆液扩散不均衡。根据矿井以往注浆经验，本次注浆确定的浆液有效扩散半径为2.0m。

2.5注浆压力

注浆压力过大会产生新的裂隙不利于增加煤体强度，注浆压力过小则存在注浆盲区不能得到预期目的。一般情况下，注浆钻孔最大注浆应力为2～2.5倍注浆点静水压力。在8110运输巷注浆点位置静水压力取值为4.0MPa，则注浆孔最大注水压力应在8～10MPa。结合注浆点现场实际情况，最终确定最大注浆压力为10MPa。

2.6注浆量

煤岩性质差异导致不同注浆孔注浆量存在差异，一般情况下注浆压力达到最大值钻孔内浆液基本不向外继续扩散，此时再保压30min即可停止注浆。具体钻孔注浆量（Q）可采用下述公式计算：

Q=NAR2πHβη/m

其中：N为注浆钻孔数量（个）;A为浆液消耗系数;R为浆液有效扩散半径（m）;H为注浆孔深（m）;β为注浆浆液充填系数;η为注浆目标岩层孔隙率（%）;m为浆液结石率。

具体N=90;A=1.2～1.5;R=2;H=25～50;β=0.8～0.9;η=1%;m=0.85，将上述参数代入公式（1）求得Q=315～630（m3）。

3注浆效果分析

在采面运输巷采用2台型号为2TGZ-60注浆泵（功率11kW、注浆量60L/min）进行注浆，通过单液水泥浆、化学浆液交叉注浆来提高断层影响破碎带煤体强度。整个注浆加固共耗时63d，完成90个钻孔钻进、注浆工作，注浆孔水泥浆单孔最大注入量为2.4m3、化学浆液单孔注入量达到3.2t，整个注浆孔共计注入64.9m3水泥浆、31t化学浆液。注浆孔实际注入量远小于理论计算得出的注浆量，分析主要是由于浆液实际有效扩散半径、煤体裂隙率等参数选取值与实际值间存在偏差。