采煤工作面过地质构造超前加固技术研究

2021-03-06

当代化工研究 2021年2期

（山西铺龙湾煤业有限公司山西 037100）

地质构造是影响煤炭高效回采的不利因素之一，在地质构造影响带附近煤岩体较为破碎，给采面回采、回采巷道掘进造成一定制约[1-2]。煤岩开采时断层是最为常见的构造类型，在断层带附近，煤层连续性遭到破坏、围岩破碎，煤层本身及顶底板岩层强度、稳定性均显著降低，从而导致回采工作面过断层期间容易出现煤壁片帮、顶板冒落等事故，液压支架也容易出现不接顶、倾倒、压架等事故，从而给采煤工作面高效回采带来显著威胁[3-6]。同时地质构造也是最为常见的导水构造，因此在采面过地质构造带时采取针对性的围岩加固措施对提高煤炭开采效率及安全性具有显著促进意义[7-9]。文中以山西某矿3502综采工作面过断层为研究对象，结合相关研究学者提出的采面过断层研究成果以及以往采面过断层技术经验，提出采用超前预注浆方式加固断层影响带附近破碎围岩，从而确保采面过断层期间顶底板岩层稳定，确保采面安全通过断层。

1.工程概况

山西某矿3502综采工作面开采5#煤层，设计推进走向推进长度1350m、切眼斜长285m。采面开采的5#煤层厚度平均4.7m、埋深460m、倾角4～8°，5#煤层顶底板岩性以砂岩、泥岩为主，具体岩性参数见表1。

表1 5#煤层顶底板岩性参数

根据3502综采工作面回采巷道掘进揭露地质构造情况以及相关地质资料显示，3502综采工作面在回采过程中会遇到F1～F22等8条断层，具体各断层发育参数见表2所示，其中F8、F9断层在采面内扩展长度、影响范围分别达到68m、35m，对采面回采影响较大。预计3502综采工作面过F8断层期间，煤层及顶底板岩层均较为破碎。为此，矿井提出采用超前注浆技术加固断层破碎带围岩，以便为采面回采创造良好条件。

表2 断层参数

2.超前注浆加固技术

(1)断层破碎带注浆加固基理

注浆加固是采用注浆泵通过注浆钻孔向特定位置注入注浆材料，注浆材料在注浆压力作用下沿着煤岩裂隙中扩展，从而起到加固煤岩体作用。在注浆浆液胶结作用下将破碎煤、岩体形成完整的结构，煤岩体粘聚力以及内摩擦角等物理力学性质均得到一定程度提升，从而给采面回采创造良好条件，避免采面过断层期间出现冒顶、煤壁片帮、压架等问题。依据注浆压力大小可将注浆细分为渗透、劈裂以及压密等方式，不同的注浆方式具有其自身特点及适用范围，应根据现场需要选用。

(2)注浆方案设计

3502综采工作面回采期间F8断层、F9断层对采面生产影响最为明显。根据回采巷道揭露断层情况，判定F8、F9断层对采面生产影响主要是降低煤岩体强度，从而导致综采设备陷入底板或者顶板冒落、煤壁片帮等，因此注浆加固重点为对断层破碎带内松软破碎为煤岩体进行加固，提高煤岩体强度及稳定性。

(3)注浆材料及注浆设备

现阶段煤矿井下常用的注浆材料有无机、有机两大类，其中无机材料以水泥浆为主，具有成本低、无有害气体释放等优点，缺点是凝结时间长、注浆过程繁琐、扩散半径小以及注浆压力大等；有机材料包括有聚氨酯等高分子材料，具有凝结时间短、渗透性强等优点，但是也存在注浆成本高等问题。

受到断层影响，在断层破碎带内煤岩体裂隙发育，注浆浆液在较小的压力作用下即可渗透，同时由于超前预注浆，给注浆浆液凝结留有足够时间。为此，本次注浆选用水泥浆。

注浆设备选用井下回采工作面配备的型号ZBQS－10/10注浆泵，并配合高压胶管、混合枪等进行注浆。注浆孔施工采用液压履带钻机、金属石钻头以及麻花钻杆。

(4)注浆孔封孔

在注浆初期封孔用止浆塞进，但是由于注浆压力在3～5MPa，从而导致部分浆液从孔口渗出。为此，对注浆钻孔封孔进行改进。注浆孔封孔长度在6.0m，封孔采用2根长度分别为3.0m、6.0m无缝钢管，其中3m长无缝钢管用以注入马丽散。

(5)注浆压力及注浆量

在超前预注浆加固断层破碎带岩层时，采用较大的注浆压力虽然可增加水泥浆注入量，但是也显著增加注浆难度并会形成新的裂隙，增加注浆工作量；注浆压力过小时则容易存在注浆盲区，导致断层带破碎围岩无法充分胶结，给采面过断层安全埋下一定隐患。因此，应根据现场实际情况选择合适的注浆压力。根据注浆经验，将注浆压力设定在2.0～2.5倍静水压力可取得较好的注浆效果。在3502运输巷注浆点位置静水压力约为3.5MPa，因此将注浆压力选择在7.0～8.75MPa，为了降低注浆难度，将注浆压力最终确定为7.0MPa。注浆量依据现场注浆情况而定，单孔注浆量在150～260m3。

3.注浆加固效果分析

在3502运输巷内共计布置45个注浆钻孔，整个注浆加固耗时累积30d，共计注入注浆浆液约6800m3。注浆完成20d后采面回采至注浆位置。具体现场煤岩样见图1所示。从图中看出煤岩体中的大孔隙基本被注浆浆液充填，从而使得破碎带内煤岩体强度及稳定性均得以显著提升。在回采过断层破碎带期间，煤层顶底板岩层岩性稳定，未出现顶板冒顶、煤壁片帮等问题。