综采工作面过断层时注浆加固技术的应用探析

陈海东

（晋能控股煤业集团雁崖煤业公司， 山西 大同 037000）

在对煤矿井下的采煤工作面进行回采时，有些地质构造状况是经常遇到的，比如断层等。由于形成了断层构造带，所以在其受影响的区域中的煤岩层的构造状态发生了改变，煤岩体因挤压而发生破碎，其承载能力比较差，使得进行回采作业时煤壁易出现片帮，顶板易发生冒落以及液压支架、刮板输送机等设备易出现下陷等问题，这严重影响着工作面推进与回采的安全性。随着煤矿装备技术程度的不断提高，综采面的主要装备也在向大采高、大功率的方向不断发展，并且设备重量也随之提升，在工作面回采到受断层构造带影响的区域中时，附近煤岩体承载能力的下降幅度比较大，工作面之间容易出现下陷，对工作面的正常回采造成影响。因此，本文以晋能控股煤业集团A 矿8110 工作面回采期间过DF12 断层的工程为例，设计了注浆加固方案，提出了超前预注浆加固技术的方案。

1 工程概况

在A 矿8110 工作面中，主采8 号煤层，其煤层的厚度是7.5 m，煤层的倾角为5°～8°，由于煤层拥有比较复杂的结构，煤层中存在有夹矸层，岩性为高岭石与炭质泥岩。以煤层的主要推进方向来设置工作面，工作面的总走向长度为1 900 m，总倾斜长度为180 m，综采放顶煤开采过程即工作面回采过程。当工作面顺着走向回采到935 m 时，在除上部分之外的工作面区域中出现了DF12 断层，且断层的落差是6.1 m。受断层影响的范围走向总长是400 m，总倾斜宽是30～50 m。断层构造带给工作面回采带来了严重影响，由于受断层所影响的区域中的煤壁煤岩层与煤层的顶板比较松软，有片帮破碎现象发生，而煤层底板也因松软出现下陷的现象，且下陷的深度是0.6～3.5 m，限制了工作面的安全高效回采。为解决以上问题，决定对工作面煤体实施超前注浆加固。

2 注浆加固的方案设计

2.1 注浆加固的方案原理

对8110 工作面的井下开采的情况及其地质状况进行分析，确定将钻孔注浆使用到工作面的运输巷中，由于工作面之前950～1 220 m 的区域中存在底板下陷的情况，所以选择对该区域煤层进行注浆加固。这一区域中，底板0.6～1.4 m 处有下陷的煤层，由于煤体比较松软，所以把相邻注浆钻孔的距离设计为3 m，将钻孔深度设计为30～50 m；工作面前侧的1 220～1 365 m 的区域中，底板1.4～3.5 m 处有下陷的煤层，由于煤体比较破碎与松软，所以把相邻注浆孔的距离设计为3 m，将钻孔深度设计为25～30 m。在实施钻孔时，按照工作面不断改变的底煤厚度来进行角度的调整，以确保能覆盖全部的工作面底煤。

将钻孔开孔设置到距巷道底板1 m 处，对施工钻孔倾角的计算依据的是底板中有下陷煤层的具体深度，由此计算得出钻孔倾角为4°～12°，按照现场实际情况，为有利于具体施工，把钻孔的施工角度统一调整成8°。工作面注浆钻孔布置图如下页图1 所示。

图1 工作面注浆钻孔布置图

2.2 注浆材料的选择

将能够对煤岩体的承载能力与稳定性有明显提升作用的注浆材料分为无机类水泥浆液与有机类化学浆液。化学类浆液通常是有机材料中的高分子材料，其作用是封堵与充填煤岩体裂隙较小的部分；水泥浆液则相反，其封堵与充填的是较大的裂隙。随着工作面中煤岩体的不断变化，在注浆煤岩体时，所使用的水泥浆液是由P·042.5 硅酸盐水泥来调配制作，由此作为水泥浆液来加固煤岩体。若在加固之后，依然有煤岩体稳定性较差的现象出现，如顶部冒落或片帮煤壁等，这就说明注浆之后仍不能满足煤岩体的承载能力需求，此时就要选取由改性脉醛树脂配合制作的注浆加固的注浆液。

由于在断层构造带区域中的煤体比较松软，所以就增大了注浆的困难程度，当注浆施工该区域的煤体时，需对化学浆液中的A 料、B 料与水泥浆液的浓度配比进行调整，保证煤体裂隙中有浆液流入。对试验结果进行研究后得出，水泥浆液中的水与灰的质量配比是0.8，化学浆液中的A 料与B 料的质量比是3∶1，以此比例进行调配可以使煤岩体的注浆成效显著提升。

2.3 封孔流程

当完成注浆钻孔之后，便开始实施注浆。最初采用止浆塞来封堵注浆孔，但因注浆液有比较大的压力，止浆塞并不能严密封堵注浆孔，封堵效果非常差，易导致注浆时浆液从注浆孔口溢出。通过多次试验以及对封孔结构进行完善，最终选用麻丝来对注浆孔口进行封孔的装置（见图2）。

图2 工作面注浆钻孔封孔结构（mm）

适用于该封孔装置的钢管数量为2 根，长度分别是3 m、6 m，且是没有缝的，将钢管放置到注浆孔的孔口处；钢管封堵注浆孔口时选用马丽散材料，此时钢管选取长度为3 m，把麻丝填塞到钢管两端的孔口中，进而减少注浆时浆液的流失量；使用钢管来注浆加固注浆孔时选取的钢管长度为6 m。

2.4 煤体内浆液分散半径的确定

当煤体中有注入的浆液时，煤体内浆液的分散半径和注浆材料的选择、浆液浓度的调配及其配比的比例、注浆的施工流程、注浆时间等相关。在注浆过程中，浆液通常会顺着煤岩体发生裂隙的方向增多并蔓延，所以浆液分散的区域并不均匀。按照矿井之前注浆煤层的实际经验，可确定此次煤体内浆液的分散半径是1.5 m。

2.5 注浆压力的选择

当对煤体进行注浆时，若选择的注浆压力比较高，则会有比较大的冲击力作用于煤体，易在煤体中再次造成裂隙出现，对增强煤体强度的整体性并无帮助；如果注浆过程中的压力太低，浆液所具有的分散性就会降低，这就易导致注浆中出现盲区，无法达到注浆之前的预期成效。一般情况下，当进行注浆时，需把进水管安装到井下施工位置，进水管水压为2～3 倍的静压水压则是注浆的最大压力。在该运输巷中注浆钻孔施工处，进水管在静压时的水压是4 MPa。因此在将注浆液注入注浆孔时，其注浆压力值是8～12 MPa，与现场实际的注浆施工相结合，最后明确了该工作面在进行注浆过程中的压力最大值是12 MPa。

2.6 煤体注浆量的确定

由于工作面地点不同，煤岩的性质不同，相应的注浆量也不同。一般情况下，在进行注浆的过程中，当将注浆压力调整到最大值时，浆液就无法从注浆孔中向煤体外分散，现持续提供30 min 的注浆压力后，注浆停止。注浆孔的实际注浆量可由下式进行计算：

式中：N为注浆孔的施工数量，个；A为注浆过程中浆液的消耗系数；R为煤体内浆液的分散半径，m；H为钻孔深度，m；β 为注浆过程中充填煤体的系数；η为注浆施工处煤岩层的孔隙率，%；l为注浆液发生结石的概率。

按照施工现场的实际状况对以上参数分别取值，当N=140 时，A在1.1～1.3 的范围中取值1.2；H=25～50 m；R=1.5 m；l=0.9；η=0.8%；β 在0.7～0.8范围内取值0.7。在H取值25 m 时，把上面的参数全部代入公式（1）内，并进行计算，其结果是注浆量最小值Qmin=185 m3；在H取值50 m 时，把以上取值全部代入公式（1）内进行计算，得到注浆量的最大值Qmax=369 m3。

3 分析使用效果

注浆使用2 台LSY-110 型注浆泵，并选择无机类水泥浆液与有机类化学浆液相结合的注浆材料来注浆煤体，可以显著提高工作面在通过断层时煤岩体破碎的强度与稳定性。8110 工作面中的全部注浆钻孔的注浆与施工工作全部完成所用时间为75 d；注浆时水泥浆液与化学浆液单孔注入的最大量分别是2.8 m3、3.5 t，把水泥浆液与化学浆液分别注入注浆孔的量是133 m3、118 t。在工作面煤体内，浆液的实际注入量与理论计算量存在较大差异。

使用超前注浆之后，实现了在受过断层所影响的工作面范围内的顺利安全回采，过程中未出现下陷至煤层底板现象，刮板输送机与液压支架未出现下陷，在工作面顶板与煤壁中也没出现冒落与大面积片帮现象。这就说明，注浆固化煤体显著提高了煤体的稳定性与承载能力。图3 为工作面煤体注浆之后的效果图，从图3 可以看出，煤体内的所有裂隙都被浆液充填了。

图3 工作面煤体注浆后效果

4 结论

1）结合之前注浆工作面的经验，选取工程类比方法来设计工作面注浆煤体的方案，设计相邻注浆钻孔在水平方向的距离为3 m，布置的钻孔深度为25～50 m，控制注浆压力的最大值为12 MPa。

2）在进行注浆时，有机化学浆液与水泥浆液交互配合使用，可以把浆液充填煤体裂隙的作用充分发挥出来，并可将煤体内的裂隙全部充填，提升了煤体的强度与整体性，提升了煤体固化成效。

3）通过现场使用效果来看，若煤体是松软破碎的，采用注浆加固技术会提升煤体的强度，增强煤体的承载能力。在进行工作面回采时，顶板事故与设备下陷等问题并没出现，实现了采煤工作面安全回采，同时为类似工况下的采煤工作面的安全顺利回采提供了参考。