伏岩煤业3202工作面过断层注浆加固技术

齐晋楠

(山西阳城阳泰集团 伏岩煤业有限公司，山西 阳城 048100)

1 工程概况

山西阳城阳泰集团伏岩煤业有限责任公司3202上分层工作面倾向长度为190 m，走向长度为853 m，工作面位于二采区大巷西侧，南邻3201采空区，北面为实体煤，东邻二采区大巷；工作面开采3号煤层，煤层平均厚度为4.96 m，平均倾角为3°，煤层顶底板岩层特征如表1所示。3202上分层工作面开采煤层高度为2.8 m，循环进尺0.6 m，采用全部垮落法管理顶板，根据工作面的地质资料可知，工作面内发育有F1断层，断层倾角为50°，断层最大落差为5 m，为保障工作面顺利通过断层区域，特针对断层区域采取注浆加固技术。

表1 煤层顶底板岩层特征

2 注浆加固技术及机理

2.1 注浆加固机理

在进行巷道围岩注浆加固时，浆液进入破碎围岩体内，当浆液凝固后能够有效提高围岩裂隙面的变形刚度和抗剪强度，浆液在进入围岩体内后，固化后的浆液在围岩体内起到网络骨架作用，且固化后的浆液能够在一定程度上起到充填压密及转变围岩破坏机理方面的作用，浆液固化后可与支护结构形成一个共同承载体，可大幅提升围岩自身的稳定性[1-3]。具体注浆加固机理如下：

1) 提高围岩裂隙面的变形刚度和抗剪强度。围岩注浆加固后，围岩内部原有的裂隙会被浆液充填，使得原本处于弱面处的岩体的力学性质得到显著的提高，能够从整体上提升围岩体的强度和完整性，破碎带内部松散岩块间相对错动的阻力会大幅增加，围岩内原有裂隙面处的变形刚度和抗剪强度均会大幅增大，具体围岩在注浆加固前后强度变形情况如图1所示。

图1 注浆加固前后围岩强度变形曲线

2) 浆液固结体的网络骨架作用。断层破碎带的围岩体采用注浆加固时，随着浆液渗入破碎围岩体内后，浆液在破碎煤岩体内裂隙内固结，会在围岩内形成一个固结浆液网络，此时能够大幅提升围岩体的整体承载能力。

3) 充填压密及转变围岩破坏机理作用。浆液在注浆泵的压力作用下进入到断层破碎带的缝隙中，浆液在压力的作用下会对原本破碎的围岩体形成一定的充填压密作用，且破碎围岩体在浆液的胶结作用下会重新形成一个较为完整的承载体。

4) 与支护结构形成共同的承载作用。断层破碎带围岩体在注浆加固后会形成一个新的承载结构，注浆后的围岩体与工作面内回采期间液压支架的支护形成一个承载结构，并能够相互作用，进而有效分担一部分原有支架上的荷载，可大幅降低支架上的荷载，有效改善围岩应力的分布，进而能够有效保障工作面回采推进通过断层区域时的效果[4-5]。

2.2 注浆加固技术

根据3202工作面断层区域的分布特征，本次采用的注浆加固技术主要涉及到地质资料收集、注浆工序间的预处理、合理的注浆材料、注浆压力、注浆孔间排距，具体注浆加固流程如图2所示。

图2 注浆工艺流程

在断层破碎带区域进行注浆加固时，注浆前需检查注浆系统连接情况，采用清水进行试泵，当系统运行正常后即可开泵注浆。在注浆过程中需观察注浆泵的变形情况，根据现场情况调整注浆速率，专人进行注浆时间、注浆压力及注浆量的记录，当出现大范围漏浆时，可暂停注浆，采用速凝剂配少量速凝剂进行封堵，等封堵材料封闭后再开泵注浆。

3 过断层围岩控制方案

3.1 过断层控制技术

根据3202上分层工作面F1正断层的具体地质条件，由于工作面探测数据不充分，工作面初始回采推进期间未采取注浆加固措施，工作面揭露断层初期即出现冒顶现象，冒顶宽度达到4.2 m，冒顶高度达到10 m，具体断层位置及冒顶情况如图3所示。

图3 断层及冒顶情况

根据工作面冒顶情况，设置在冒顶区域采用充填空洞及铺设人工假顶后采用注浆加固工艺，即注浆加固前首先进行冒顶区域的预处理，在处理完毕后进行注浆加固，并在工作面回采前进行二次支护，即工作面过断层区域的围岩控制技术为人工假顶和充填空洞+注浆加固+二次支护，具体围岩控制方案为：

1) 人工假顶和充填空洞。根据F1断层特征及冒顶情况，采用长度为21 m的钢管，在冒顶下边缘水平距离5 m的位置处横向布置人工假顶的钢管铺设点，钢管件的间距为200 mm，钢管的嵌入角度为18～20°，钢管铺设时保障钢管的一端有效嵌入坚硬的顶板岩层内，钢管假顶铺设完毕后进行空洞区域的充填，充填材料采用美固MP367，具体铺设人工假顶和充填空洞方式如图4所示。

图4 人工假顶及充填空洞施工示意

2) 注浆加固+二次支护。本次F1断层破碎带区域注浆加固时，考虑到工作面回采期间截割的问题，注浆材料选用水泥-水玻璃浆液，设置注浆的终孔压力为2 MPa，基于水泥-水玻璃浆液的扩散范围为1～2 m[7-8]，在断层破碎带区域布置注浆钻孔时，设置注浆孔的间排距为1 m，即保障注浆钻孔的间排距为浆液扩散距离的1倍，注浆钻孔长度为4 m，具体注浆钻孔的布置方式如图5(a)所示。注浆作业完成后，为保障工作面顺利通过断层区域，在断层区域进行二次支护，针对冒顶空洞下方采用锚索+工字钢进行加强支护，锚索锚固在坚硬顶板岩层内，通过锚索将工字钢梁固定在顶板下方，实现该区域顶板的控制，具体二次加强支护如图5(b)所示。在工作面推进通过断层破碎带区域时，工作面回采移架期间严格控制移架步距为200 mm，保障液压支架对顶板的支撑作用。

3.2 效果分析

3202上分层工作面在采用断层破碎带围岩控制技术后，根据现场观测结果能够看出断层破碎带在采用注浆加固后破碎顶板得到了有效胶结，破碎顶板充分凝结形成了完整的结构。另外根据现场观测可知，3202上分层工作面顺利通过F1断层区域，工作面回采推进时无液压支架压架及冒顶现象出现，断层破碎带区域顶板的最大下沉量不大于20 mm/d，工作面过F1断层的围岩控制技术有效保障了工作面推进通过断层破碎带，为工作面的安全回采提供了有效的保障。

图5 注浆加固及二次支护结构示意

4 结 语

根据3202上分层工作面及F1断层发育特征，通过分析注浆加固的机理，结合断层破碎带区域的冒顶情况，设计过断层控制方案为人工假顶和充填空洞+注浆加固+二次支护，基于破碎带具体情况进行各项控制措施参数的设计，根据工作面回采期间的观测可知，过断层控制技术保障了工作面顺利回采通过断层区域。