四台矿81003工作面过断层注浆加固技术研究与应用

2021-11-16赵海峰

煤矿现代化 2021年6期

关键词：岩体断层工作面

赵海峰

（晋能控股煤业集团四台矿，山西大同 037003）

0 引言

随着煤矿采煤深度和采煤强度的增加，煤层出现断层的现象愈演愈烈。在开采过程中，在采动压力的作用下产生了冒顶，片帮等事故[1]。因此，要进行改进设计，通过留设防水煤柱，采用注浆加固技术对工作面进行过断层改造。

1 地质概况

四台矿12号层81003工作面与上覆煤层的距离极近，位于410盘区的南部，工作面南高北低，该地区煤层厚约3.10～4.50 m，平均为3.75 m，中间是2层的夹石，厚度0.15 m，煤层呈倾斜，角度是3°～5°，平均斜坡是4°，该地区有较多的断层，落差为0.71～1.7 m。工作面开采后，由于断层有较大的落差，揭露了区域内顶板岩层的破碎，造成影响较大，另外片帮、冒顶事件的发生，不仅导致煤炭回采率较低，成本较高，而且还直接威胁着工作面的生产安全[2]。因此，针对四台矿81003工作面的特殊结构，选择注浆加固的过断层方法，其采煤与断层位置关系如图1所示。

图1 采煤与断层位置关系

2 方案设计

2.1 注浆方式

注浆加固选择渐进注浆的方式来进行[3]，渐进注浆方式要求如下：其中一级注管要求进行2次，同时确保测试压力为10 MPa，持续时间在30 min以上；另一方面，二级套管下入后才能进行耐压试验，其中要求二级套管的测试压力为10 MPa，持续时间在30 min以上。二级管试压结束后，必须戴闸阀方可进行钻入，在钻场配备测压装置，待钻孔出水时进行压力测试。在钻孔注浆时，一般采用连续注水，如单孔注水量超过150 t时，可考虑使用间歇注水，在间歇注水期内必须及时冲洗注浆管道。

2.2 注浆条件

注浆加固主要采用循序渐进的方式进行注浆，当钻孔是5～7 mm时，进行井下地面自动注浆，当钻孔出水量小于5 m3/h，经多次压后注浆出水量仍大于10 m3/h，则继续进行自动注浆，若未经压后注浆出水量继续大于10 m3/h，则自动注浆泵继续进行井下注浆，达到一定终压后即停注，凝固4 h后经扫孔后再钻入，循环往复至钻孔预计注浆深度为止。

2.3 注浆材料的选择

采用树脂和催化剂混合而成的马丽散作为注浆加固材料,该材料粘度较低,注入岩石的扩散速度快，此后可迅速将煤体与岩体相结合，并在短时间内对断层进行加固，同时，马丽散在渗透、机械、胶结等方面也有很好的作用，在抗冲击、抗老化和耐磨等方面也有独特的优点。相对于传统的仅靠泵的压力来挤压浆液，马丽散入断裂后的体积扩大了1.5倍，在很大程度上，不仅节省成本，而且还能提高效率。此外，马丽散不受气候影响，干燥、潮湿地区均可正常使用。因此，马丽散成为注浆加固材料中的首选[4]。

2.4 注浆孔位置

在最短路径原则[5]的基础上，结合断层实际勘查情况，注浆孔位置依次设计在上、下巷，其中，在上巷帮于切眼相距450～500 m处开孔，在下巷帮与切眼相距500～600 m处开孔，共设计上下2排注浆钻孔，每相邻2个上下孔之间间隔5 m，下排孔与底板保持1.1 m的距离，上排孔与顶板保存2 m的距离，深度要大于断层10 m以上。以12号探测钻孔附近注浆孔为例，钻孔设计为：切眼后退450～620 m，合计170 m长。上、下2排钻孔分布，每孔之间间隔5 m，共设计37个钻孔，深55～130 m。上下巷的钻孔设计是相同的，设计示意图如图2所示。

图2 注浆钻孔设计示意图

2.5 注浆参数确定

注浆效果受压力大小的影响，压力大会使煤岩体破碎，强度降低。压力过小会导致注浆范围缩小，加固效果不明显。依据煤体强度和断层发育情况。确定了注浆压力为8～15MPa。

断层破碎带的煤岩体强度也受注浆量的影响。注浆量过少会降低煤岩体裂缝的密实度，相反，过多浪费浆液。注浆量的多少受多个因素影响，如钻孔长度，孔径，浆液粘度以及煤岩体孔隙率等。根据现场断层裂缝发育情况，确定每个钻孔的注浆量为2 t。

如遇到漏浆严重时，可以先停止注浆。漏浆可能是由于压力过大，或者泵送流量过大。可以先降低压力及泵送流量，对漏浆点用棉纱封堵，待漏浆现象消失后，再用正常压力及泵送流量进行工作。

注浆时间的确定。由断层发育情况以及开采方式决定，超前切眼40 m时，裂缝发育程度较好，通透性较高，是最佳注浆区域。

3 应用效果验证

在四台矿12-2号层81003工作面断层上应用注浆加固技术，通过对巷道的片帮、冒顶深度和次数进行现场实时监测，注浆前后的情况对比见表1。

表1 巷道注浆前、后的对比

在四台矿断层注浆加固工程中，共设计钻孔37个，工程进展3 700 m，共消耗注浆材料135 t，平均单孔注浆量达到3.5 t。工程量每天推进3 m，进入断层区域后，注浆区前40 m范围内，受工作面煤墙局部影响，发生片帮、冒顶3次。受此影响，工程进度缓慢，工作面日平均回采不足1.5 m。进入注浆加固区域后，片帮、冒顶现象大大减少，工作面日平均可回采2.5 m左右。通过表1可以得出结论：未注浆区跟注浆区相比，注浆加固后的片帮及冒顶深度和频次都大幅度降低，因此说明注浆加固技术在断层裂缝处理方面有良好的效果。