采煤工作面断层超前治理技术研究

2021-05-14张敦喜杨张杰王庆牛李世辉

煤炭科学技术 2021年3期

张敦喜，杨张杰，王庆牛，李世辉

（1.淮河能源控股有限责任公司煤业分公司，安徽淮南 232171； 2.安徽省煤炭科学研究院，安徽合肥 230001）

0 引言

断层是煤矿开采过程中常见的、隐患突出的地质构造，断层构造区煤岩体原始构造应力明显，区域内煤岩体裂隙高度发育，岩层完整程度差，强度低［1-3］。当工作面推进至断层附近时，原本裂隙发育的煤岩体在工作面采动超前支承压力及断层活化耦合双重作用下，强度进一步降低，极易造成工作面开采区域内大尺度顶板岩块超前抽冒及煤壁片帮；煤岩层的稳定性进一步弱化，极易导致支架位态变差，支护阻力难以保证，增加了顶板事故的发生概率［4-6］。目前，国内外许多学者对工作面断层治理也进行了大量研究。朱砚秋等［7］对两盘工作面依次回采对断层活化的影响、断层带的应力变化规律及突水路径的形成进行研究，认为断层界面的垂直应力随工作面的推进呈现先减小后增大的趋势。孟召平等［8］系统研究了断裂结构面对回采工作面矿压分布和顶板稳定性的影响，将回采工作面顶板断裂结构面分为3 种典型组合类型，研究了工作面开采过程中3 种组合类型的稳定性关系。吕兆海等［9］通过物理相似模拟和数值计算，揭示了断层区工作面上下盘岩层运移，破坏特征和煤岩体应力与变形时空演化过程和规律，并针对具体工程案例，提出了预注浆耦合加固（Pre-Grouting Coupling Reinforce⁃ment，PCCR）方法。于秋鸽等［10］通过理论计算和数值模拟的方法，得到了采动影响下的断层滑移力学判据及断层滑移的主要影响因素，研究了工作面推进结束后的断层面应力特征和断层滑移情况并进行了实例验证。笔者以淮南矿区潘二矿12223 工作面过3 号异常区断层组，张集矿1612A 工作面过F1611A76 断层及1613A 工作面过F1613A78 断层为工程背景，在研发用于工作面过断层的超前预加固无机复合注浆材料的基础上，根据采煤工作面中断层的产状特征及赋存条件，提出了工作面断层超前治理预注浆钻孔布置的3 种不同形式，并进行了工程实践，以期对采煤工作面过断层提供借鉴。

1 工程概况

淮南矿区为一边缘褶皱断裂发育，内部褶皱较开阔、轴向NWW 方向、枢纽向东倾伏的复向斜构造。区内大中型断层按倾向可分为5 组，以倾向SSW 为主，N、NWW、SEE、NNE 次之；其中SSW、N、NWW、SEE 方向正断层发育；SSW、NNE 方向逆断层较发育［11-14］。大中型断层附近次生断层更为发育，多呈断层组出现，如潘二矿11123 工作面发育76 条断层，回采范围内断层67 条，形成多组断层，组内断层最大落差9 m，其中落差不小于2 m 的断层20条；张集矿1613（3）工作面回采范围内运输巷共揭露断层6 条，轨道巷共揭露断层6 条，区段平巷揭露相同断层2 条，总计揭露断层10 条，其中落差大于2 m 的断层6 条，断层最大落差6.2 m。据统计，目前淮南矿区所属矿井每月正在回采的工作面约26个，其中过断层工作面多达18 ～20 个，占采煤工作面总数的70%以上。

为应对断层构造带对工作面回采影响，以前淮南矿区各生产矿井主要采取被动处理方式。当断层落差较小时，只有当顶板漏冒后才采取注化学材料临时固帮、固顶等措施。这种被动的处理方式多依赖基层管理人员的经验，极大地增加了管理的不确定性，减缓了工作面的推进速度。如潘二矿A 组煤11123 工作面在通过最大落差仅3.5 m 的2 号断层异常区时，日推进度仅1.1 m，平均日产仅2 118 t；张集矿1612（3）工作面在通过落差为4.5 m 的F1612（3）27 断层时，由于片帮漏顶，共费时2 个多月才摆脱断层的影响，期间还发生人员受伤事故。当工作面断层落差较大，且顶底板为坚硬的砂岩或断层处在风氧化带附近时，一般采用跳采方式避开断层，如张集矿1413（3）工作面过Fw201（落差5.5 ～8.0 m）断层，顾北矿1552（3）工作面过F99（落差5.3 ～7.5 m）断层，均因断层落差较大，采用重新掘进开切眼跳采方式避开断层。

2 断层超前治理思路

断层治理思路：根据断层产状及方位，分析断层影响范围，通过选择适宜长钻孔注浆的材料，在钻孔测斜验证、精准钻孔的基础上，在工作面回采至断层影响区域之前进行超前高压预注浆，实现超前靶向治理，提前加固断层区域煤岩体。基于上述思路，提出了井上、井下区域治理和工作面内局部治理相结合的断层治理对策。

1）一般情况下，工作面断层治理均采取井下区域治理和工作面内局部治理相结合的方式。井下区域治理是指工作面回采至距离断层影响区域不少于300 m 时，在工作面两巷内通过精准钻孔，采用不析水沉淀、适合远距离注浆的无机注浆材料对断层影响区域进行预注浆加固，工作面内局部处理是指采用有机快速化学注浆材料对工作面煤壁进行局部注浆加固。

2）井上区域治理要结合瓦斯及防治水工程开展；若工作面断层附近有陷落柱等构造异常带，则考虑地面区域治理方法，即通过地面钻孔进行超前预注浆加固。

3）为了减少钻孔工作量，充分利用“一巷多用”、“一孔多用”，利用现有的观测孔、放水检测孔等进行注浆。

3 断层超前治理技术

3.1 注浆材料研发

工作面断层破碎带超前预注浆加固材料浆液的可注性及其力学性质是决定注浆效果的关键因素［15-20］，而注浆材料的成本及浆液消耗量又决定了注浆加固技术的经济合理性。因此注浆材料的选取是决定断层注浆改性效果的先决条件，断层破碎带注浆材料应满足如下条件：①注浆液有良好的流动性且凝固时间可调，能够较好控制浆液实现远距离输送及扩散；②注浆液与破碎围岩应有较强的胶结性且结石体具有较高的抗压强度和残余强度，保持加固岩层碎而不落；③注浆材料应阻燃、经济、环保。基于上述要求，开发了一种用于工作面过断层的超前预加固无机复合注浆材料，该材料具有以下特性。

1）固结体强度高。取朱集东矿1122（3）工作面DF112 断层区域煤体和顶板矸石，矸石以泥岩为主，按照筛选后体积比（矸石与煤块体积比为2 ∶1）充填于实验容器内，空隙分布形态与空隙率尽量满足断层破碎带实际条件，孔隙率在1%～4%，与断层孔隙率接近，满足相似条件。矸石与煤块混合注浆7 d后，取心后制作的试件单轴抗压强度为21 ～24 MPa（图1）。

2）材料残余强度高。研发的注浆材料为纤维复合材料，较各类水泥类材料脆性显著降低，残余强度得到显著增强，在其破坏后由于碳纤维的存在，能够保持岩块断而不散，达到碎而不落的效果。

图1 固结体单轴抗压强度Fig.1 Uniaxial compressive strength of consolidation

3）材料粒度小，浆液流动性好，地面注浆试验验证扩散半径能达到10 m 以上（裂隙宽度2 ～3 mm条件下）。

4）材料可注性好。材料初凝时间5.5 h，终凝时间8 h，初凝时间长，满足断层破碎带大流量、长距离注浆要求。

5）材料析水率基本为0，结石率100%，浆液稳定性好，可有效防止浆液沉淀导致的空隙堵塞，避免注浆过程过早结束。

6）材料水灰比低。水灰比0.3 ～0.4，能够显著改善过量的水导致的岩层弱化问题。

3.2 注浆机具选择

断层预注浆时，注浆压力大，输送距离远，浆液输送量大，对注浆机具的要求更为严格。因此，需确定合理注浆泵技术指标，选择匹配适合长钻孔断层预注浆加固工艺的注浆机具。注浆设备机具设计选配应遵循以下原则：①注浆泵额定功率与设计注浆量匹配；②注浆泵流量与设计注浆压力匹配；③注浆泵注浆压力与设计注浆距离匹配；③搅拌机功率与人工上料效率匹配。

经过多次现场试验总结，给出注浆泵选型参考技术参数：

3.3 注浆钻孔设计

3.3.1 钻孔测斜

精准钻孔是断层治理的关键，施工长距离钻孔时，由于受钻杆钻头自重及岩性差别等因素影响，钻孔的终孔位置与设计位置会存在一定偏差，为了掌握长距离钻孔终孔位置偏差，在淮南矿区多工作面钻孔钻进过程中进行了钻孔测斜测试试验，结果表明：钻孔孔深小于20 m 时，终孔位置与设计位置基本一致，当孔深超过20 m 后，钻孔终孔位置与设计位置均有一定偏差，一般孔深每增加20 m，终孔下沉0.6～0.8 m。

3.3.2 钻孔设计原则

钻孔是输送注浆材料的主要通道，因此钻孔的设计直接影响加固效果。钻孔设计必须遵循以下原则。

1）钻孔施工时应考虑煤层倾向、断层产状、开孔位置及钻杆漂移等因素，根据钻孔深度及测斜试验结果确定钻孔控制层位。若钻孔深度小于20 m，设计终孔位于上翻盘（即正断层下盘，逆断层上盘）煤岩交界面以上1 m；若钻孔深度大于20 m、小于40 m，设计终孔位于上翻盘煤岩交界面以上2 m；若钻孔深度大于40 m、小于80 m，设计终孔位于上翻盘煤岩交界面以上3 m；若钻孔深度大于80 m，设计终孔位于上翻盘煤岩交界面以上4 m。

2）与断层面正交或斜交的各级钻孔，理论上终孔位置水平方向要穿过断层面3 m 左右。

3）根据浆液流动性仿真试验结果，相邻注浆孔终孔平距控制在10～15 m。

4）钻孔施工需进行钻孔测斜，实现精准打钻。

3.3.3 封孔方式

钻孔的封孔质量直接影响注浆的效果，因此封孔的质量至关重要。注浆孔的封孔方式采用“两堵一注”耐高压囊袋封孔（图2），即在注浆孔内设计封孔位置设置一个囊袋，在距孔口约0.2 m 位置设置另外1 个囊袋，通过囊袋上的注浆管注入封孔材料，待囊袋上的另1 个胶管出现返浆后，将返浆管扎牢，继续注浆直至达到压力1.5 ～2.0 MPa。封孔要求：封孔胶囊须固定在直径3.33 cm 注浆钢管上，注浆钢管长度比封孔长度长2 ～5 m，且封孔长度不小于15 m。

图2 “两堵一注”封孔示意Fig.2 “Two blocks and one grouting”seal hole indication

3.3.4 钻孔布置方式

根据采煤工作面不同断层产状及分布，按照钻孔利用率高、施工方便，且断层加固区域全覆盖的原则，钻孔布置可分为回采巷道内巷帮平行递进式钻孔，钻场内集中扇形钻孔及巷钻结合3 种方式。

1）回采巷道内巷帮平行递进式钻孔。适用条件：断层组或断层走向与工作面回采巷道走向夹角较小（小于45°）的单一断层构造带。钻孔布置方式：在回采巷道内垂直巷帮施工平行钻孔，钻孔深度递进式分布，钻孔终点分布于工作面顶板。

2）钻场内集中扇形钻孔。适用条件：断层走向与工作面回采巷道走向夹角较大（大于45°）的单一断层构造带。钻孔布置方式：在断层构造带附近钻场内施工扇形钻孔，钻孔直达断层面，终孔穿过断层面2～3 m。

3）巷钻结合式钻孔。适用条件：煤层厚、落差大的断层构造带。钻孔布置方式：沿断层面施工1条措施巷，在措施巷内采用短距离的平行孔或扇形孔对断层进行注浆加固。

3.3.5 预注浆工艺

1）巷帮平行递进式钻孔预注浆工艺包括帷幕止浆层注浆、浅孔注浆、中深孔注浆及深孔注浆4步。为避免注浆过程中漏浆、串浆，钻孔施工完成后应及时封孔并注浆。 ①帷幕止浆层注浆，加固巷帮煤体的同时形成封闭帷幕。沿巷道走向，在断层影响范围内施工巷帮水平钻孔（五花型布置），钻孔孔径42 mm，孔深4 m，采用胶囊封孔，4 分钢管注浆，注浆加固深度0 ～6 m，注浆压力5 ～8 MPa；②浅孔注浆。钻孔孔径94 mm，终孔位于上翻盘煤岩交界面以上1～2 m，孔深不超过30 m，注浆加固深度6 ～40 m，注浆压力8～10 MPa；③中深孔注浆。钻孔孔径94 mm，终孔位置位于上翻盘煤岩交界面以上3 m，孔深不超过60 m，注浆加固范围40 ～70 m，注浆压力10～15 MPa；④深孔注浆。钻孔孔径94 mm，终孔位置位于上翻盘煤岩交界面以上4 m，孔深不超过120 m，注浆加固范围70 ～120 m，注浆压力15 ～20 MPa。

2）对于在钻场内集中扇形钻孔方式，加固目标是断层面，终孔穿过上翻盘断层面2 ～3 m 即可，为避免深孔高压注浆过程中串浆漏浆，需要结合浅孔帷幕注浆施工，浅孔帷幕注浆工艺同上所述。

3）对于巷钻结合方式，首先必须要进行浅孔帷幕注浆，然后根据钻孔设计原则，确定钻孔注浆压力。

4 断层超前治理工程实践

4.1 平行递进式钻孔预注浆试验

4.1.1 工程概况

12223 工作面位于潘二矿西二采区第2 阶段，该工作面3 号煤层厚0 ～7 m（平均厚4.5 m），煤层平均倾角为15°，煤层顶板为中粒细砂岩直覆。该工作面3 号异常区有F12224-6∠60°落差3 m 断层，F12224-6 ∠70°落差2 m 断层，F12223-10 ∠75°落差7 m 断层及F12224-28 ∠65°落差3 m 等4 条断层，断层组位于工作面收作区段。

4.1.2 预注浆方案设计

12223 工作面3 号异常区断层组预加固采用平行递进式钻孔预注浆方案，首先在12223 工作面上平巷退尺点1 007.5 ～1 095.0 m，共计87.5 m 范围内，施工2 排深4 m，直径42 mm，间距3 m 的帷幕注浆孔，注浆压力5 ～8 MPa；然后按浅孔（孔深30 m，孔径94 mm）、中深孔（孔深80 m，孔径94 mm）及深孔（孔深120 m，孔径94 mm）平行递进式进行预注浆加固，钻孔布置如图3 所示。

图3 12223 工作面3 号异常区预加固设计Fig.3 Pre-reinforcement design of No.3 abnormal area in No.12223 working face

4.1.3 注浆实施情况及加固效果分析

1）12223 工作面3 号异常区在工作面上平巷采用了帷幕注浆、浅孔、中深孔和深孔相结合的4 步递进式注浆方案，施工深30 m 孔9 个，深80 m 孔9个，深120 m 孔9 个，共注新型无机复合注浆材料50 t。

2）采用YZG12 钻孔成像及分析系统，对12223工作面3 号异常区注浆前后钻孔情况进行了对比分析，注浆前破碎带四周裂隙发育，成孔困难，注浆后钻孔内表面光滑，成型较好，观测段无塌孔。工作面推进至3 号异常区终采线位置时，工作面顶板及煤壁未发生漏冒及片帮现象，支架保持正常工作状态，顺利实现了支架安全回撤。图4 为断层组附近回撤通道内揭露的煤岩体浆液扩散情况。

图4 揭露部位浆液扩散情况Fig.4 Distribution of slurry actually exposed underground

4.2 扇形集中钻孔预注浆试验4.2.1 工程概况

张集矿1612A 工作面位于-492 m 水平西三一煤采区第2 个块段，该工作面1 号煤层厚度2.1 ～9.1 m，平均6.3 m，煤层倾角8°～14°，平均9.5°。煤层顶板为砂质泥岩及粉砂岩，层面有泥质薄膜、并见白云母碎片，见大量泥质包裹体，F1611A76（落差0.8 ～3.0 m）断层贯穿整个工作面，影响工作面回采。

4.2.2 预注浆方案设计

断层预注浆加固方案：同样在钻场及回采巷道帮部先进行帷幕注浆，封堵钻场及回采巷道帮注浆加固孔口位置围岩表面裂隙，然后在钻场内采用ø94 mm 钻头，按终孔穿过上翻盘断层面2 ～3 m，相邻孔平距10～15 m 施工扇形孔，同时在回采巷道内施工平行孔，采用平行孔与扇形孔联合布置进行预注浆加固，钻孔布置如图5 所示。

4.2.3 注浆实施情况及加固效果分析

1）1612A 工作面F1611A76 断层采用巷帮平行孔与钻场扇形孔联合布置进行超前预注浆加固，钻孔量累计长度2 357 m，注浆压力15 ～22 MPa，共注新型无机复合注浆材料41.95 t。

2）上区段1611A 工作面通过F1611A76 断层时，因未采用超前预注浆加固措施，顶板超前抽冒、片帮严重，虽然在工作面内煤壁采用了注化学浆加固，但依然存在顶板超前抽冒问题，该断层困扰工作面回采2 个多月，严重影响矿井产量和安全；而1612A 工作面过F1611A76 断层时，因超前采取了预注浆加固治理措施，工作面通过该断层用时仅15 d，平均日产达7 392 t，经济和社会效益显著。

图5 1612A 面F1611A76 断层预加固设计Fig.5 Pre-reinforcement design of No.F1611A76 fault in No.1612A working face

4.3 巷钻结合断层治理试验

4.3.1 工程概况

张集矿1613A 工作面距开切眼380 m 处在运输巷内揭露F1613A78 断层和F1613A78-1 伴生断层，F1613A78 断层落差5 m，倾角90°，与工作面夹角约13°；F1613A78-1 伴生断层落差4 m，两断层影响回采范围约40 m。

4.3.2 预注浆方案设计

1613A 工作面煤层厚， F1613A78 断层和F1613A78-1 伴生断层叠加后落差近9 m，且倾角90°，因此无论在回采巷道内还是在巷旁钻场内施工钻孔，钻孔均难以定位。为确保定位精准度，采取巷钻结合方式超前治理断层，即在两断层之间下盘沿F1613A78 断层面施工1 条宽4.4 m×高3 m 措施巷，措施巷施工完成后，在措施巷内施工注浆钻孔（图6）。