清城煤矿15107综放工作面过断层注浆加固应用

于小进

(山西圣天宝地清城煤矿有限公司，山西 阳泉 045000)

由于地壳活动的影响，煤层中往往会形成断层、陷落柱等不良地质体。断层构造周围的煤岩体在其影响作用下往往赋存状态较差，围岩表现为比较破碎，有应力集中的现象[1-3]。如果在工作面回采揭露断层，不对完整性较差的煤岩体采取适当的措施，则会出现顶板漏顶、煤壁片帮等现象严重影响安全回采。因此，工作面回采前往往需要展开相关地质勘探，提前了解煤体中不良地质构造带的分布，进而提前计划相关处理方案。

关于工作面过断层方法主要从加强工作面巷道支护强度和提高破碎围岩完整性两方面。其中，注浆加固可以高效、快捷的提高破碎煤岩体的强度和整体稳定性，在解决工作面过断层的方面得到了广泛应用[4-5]。本文主要以清城煤矿15107工作面过断层为研究背景，展开超前注浆加固的应用研究。

1 15107工作面地质条件

清城煤矿15107工作面地表位于苗家庄村及以北一带，山地沟谷纵横交错，地形复杂，有较多的褶皱分布。15107工作面目前开采15号煤，煤层平均厚度约7.24 m，采用放顶煤开采，一次采高为2.4～2.6 m。工作面走向长855 m，倾向长148 m，煤层产状变化不大，为近水平煤层，倾角约8°。工作面直接顶为2.6m厚的坚硬石灰岩，基本顶为3.5 m厚的砂质泥岩，直接底为2.9 m厚的砂质泥岩，基本底为3.3 m厚的细砂岩。

15107工作面的切眼巷处揭露一断裂构造，产状为北偏东45°，断层倾角24°，表示为135°∠24°，落差1 m左右的断层，工作面布置及断层如图1所示。

图1 工作面布置及断层形态

2 断层超前注浆加固方案

为了减小断层影响，保证工作面在回采过程顶板和煤壁的稳定，提前在断层影响范围内展开深孔注浆加固，以此提高煤体的完整性。注浆加固的范围选择在断层宽度前后各20 m范围，共计约94 m。

2.1 超前注浆钻孔布置

由于断层揭露处的在15107进风巷，该巷道为矩形断面，巷道净宽4.7 m，净高2.8 m。由于断层有1 m的落差，为了能够完全覆盖断层影响区域，计划在巷道断面打两排钻孔，钻孔布置及参数如图2所示。

如图2(a)注浆孔的布置平面图可知，深孔注浆孔呈三花眼布置，钻孔水平间距为1.5 m，上排注浆孔距离顶板0.8 m，两排注浆孔间距1.0 m，同排注浆孔的间距均为3.0 m，按照上述设计，在断层影响范围内共计施工深孔注浆孔68个。

图2 注浆孔布置及参数特征

如图2(b)注浆孔的剖面示意图可知，下排注浆孔距离底板1 m，垂直于煤帮布置，孔深85 m，大于断层的宽距离。由于断层有落差，上排钻孔设计仰角为2.5°，钻孔穿插入顶煤，孔深与下排钻孔一致。

2.2 超前深孔注浆工艺

深孔注浆加固主要由封孔、注浆两个方面。因此相关工艺主要包含封孔工艺、注浆参数以及封孔和注浆设备系统等。

1) 封孔工艺：深孔注浆的封孔效果直接影响了注浆加固的效果。为了保证孔口的封堵效果，设计封孔长度为16 m，即采用8节长度为2 m的钢管作为封孔段管件，孔口空余部分用棉花进行两头封堵。封孔材料选择一种无机单液注浆材料，由于注浆孔设计比较密集，因此封孔材料选择水灰比为0.6∶1，材料失流初凝时间仅为10 min，材料强度可以在1 h内达到3.8 MPa，能确保浆液快速与围岩胶结。

2) 注浆参数：注浆的其余部分的管件全部采用PVC管，并且在每节注浆管上中间部分的管壁上设计密集的喷浆孔。封孔后半小时后，待封孔浆液初凝，开始连接注浆系统，展开深孔注浆作业。

深孔注浆秉持先下排钻孔然后上排钻孔的原则，即下排注浆结束后，再展开上排的注浆。注浆材料选择与封孔材料不同，选择联邦无机双液注浆材料，水灰比为1.2∶1，1 d强度可达7.8 MPa，3 d强度可达13.2 MPa，28 d后可达19.6 MPa。深孔注浆压力一般选择20～25 MPa，如果发现有浆液从煤壁渗出，则说明煤体内部破碎，需要适当降低注浆压力以免压力过大，从而导致浆液进一步破坏煤体。注浆量没有严格的规定，原则上注满为止。根据此次注浆量的统计，最大单孔的注浆量约为7.8 t。

3) 注浆系统：由于封孔和注浆所用的材料分别为单液和双液，因此注浆系统整体分为封孔系统和注浆系统。展开注浆作业时，需要分批次封孔，随后集中注浆。单液封孔所需一台螺杆泵，通过调节水阀流量来控制水灰比，只需要人工上料即可。而深孔注浆时，由于需要较大的注浆压力，故而选用注浆压力为0～25 MPa，最大流量为200 L/min的液压注浆泵。此外必须选择合适的场地配备两个600 L的单液搅拌桶和配套的定容水箱，注浆时需要严格遵守操作规程以免发生堵管。

3 深孔注浆加固效果

深孔注浆完成后，为了检验注浆效果，通过钻孔窥视和15107巷道变形监测来综合评价。

3.1 钻孔窥视分析

钻孔窥视可通过观察钻孔图像中孔壁光滑程度和裂隙的发育情况分析煤岩体的完整性。在注浆完成后，也可通过钻孔窥视对比注浆前后两方面的图像特征，分析浆液与破碎煤体的胶结效果。因此在本次深孔注浆前后，在15107进风巷断层区域左右相差2 m的位置处分别展开钻孔窥视，所得窥视结果如图3所示。

图3 注浆前后煤岩体钻孔窥视结果

从图3(a)中可以看出，注浆前孔壁整体粗糙，煤岩体内裂隙比较发育，钻孔内有较多圈状裂隙，有明显的分层现象，也有少部分纵向裂隙，煤岩体完整性较差。根据图3(b)可以看出，注浆加固后孔壁表面完全被浆液包裹，看不到原有的裂隙发育，孔壁整体光滑，说明浆液充填效果较好。通过对比可以看出，注浆材料较好的充填了断层内的裂隙，使得煤岩体的完整性和稳定性得到提高。

3.2 巷道变形特征分析

由于断层在切眼附近，因此注浆加固需要在工作面回采前展开，即当注浆加固完成后，15107工作面开始回采。为了进一步验证注浆加固的效果，在注浆段的巷道内设置5个观测点，收集巷道变形数据。工作面开始揭露断层耗时5 d，随后每10 d观测一次巷道变形，共计45 d后结束。最后根据收集数据绘制巷道变形趋势，其中一组巷道变形数据绘制后如图4所示。

如图4所示，巷道变形在工作面回采40 d左右变形开始稳定，逐渐趋于不变。其中，顶板下沉和两帮收缩量较大，最大分别为173 mm和158 mm，巷道底鼓整体较小，最大约为89 mm。巷道整体变形量较小，证明深孔注浆加固的效果良好。

图4 15107进风巷巷道变形特行

4 结 语

1) 分析了15107综放工作面断层的形态特征，并设计了超前深孔注浆加固的方案，包括注浆钻孔布置，深孔注浆的封孔工艺、注浆材料以及封孔和注浆的系统。

2) 通过钻孔窥视对比了注浆前后断层区域的煤体内部形态发现，注浆后煤体内裂隙被浆液充填。15107工作面回采后进风巷巷道变形特征显示，巷道整体变形量较小，表明注浆加固提高了煤岩体的强度，巷道稳定性增强。