注浆加固技术在综采工作面过断层中的应用

庞 威

（晋能控股煤业集团白洞矿业公司，山西 大同 037031）

断层是采掘过程中常见的地质构造，断层侵入后会造成断层区围岩破碎、断裂，当工作面回采至断层区时很容易出现顶板破碎垮落、煤壁大面积片帮等围岩失稳现象，增加了工作面回采难度，降低了回采安全系数，因此对断层区围岩采取合理有效控制技术，对工作面安全回采具有重要意义。本文以白洞矿8114 工作面为研究对象，对工作面过断层期间提出了以注浆加固为主、锚索梁棚支护为辅的综合围岩控制技术[1-5]。

1 概况

晋能控股煤业集团白洞矿业公司8114 工作面位于301 盘区南部左翼的最北部。工作面东部为井田边界，西部为盘区的皮带、材料、回风巷，南部为实煤区，北部为301 盘区东部的皮带、轨道及回风巷。8114 工作面设计走向长度为1316 m，倾向长度为151 m，工作面回采煤层为石炭系3#煤层，平均厚度为9.05 m，平均倾角为3°，煤层普遍有3～8 层夹石，夹石厚一般为0.10～0.30 m，夹石断断续续，不稳定。煤层顶底板岩性见表1。

表1 8114 工作面3#煤层顶底板岩性汇总表

8114 工作面回采至840 m 处在机头处揭露F8正断层，断层落差为2.4 m，倾角为52°。随着工作面不断推进，断层从机头处揭露并向工作面中部延伸，断层影响工作面倾向长度为42 m，影响走向长度为64 m。工作面揭露断层后，受应力影响，工作面顶板及煤壁出现严重破碎现象。

2 断层区围岩控制技术

为了防止工作面在过断层期间出现顶板垮落、煤壁大面积片帮等事故，保证工作面安全快速过断层区，决定对断层区围岩采取注浆加固为主、锚索梁棚为辅的联合控制技术。

2.1 注浆加固

通过现场观察发现，断层侵入后导致断层区煤体出现严重硅化现象，煤岩体呈严重破碎状。通过对断层区煤岩体采取单轴抗压试验发现，硅化煤体单轴抗压强度不足10 MPa。为了提高煤岩体整体稳定性及抗压强度，可采用注浆法进行加固。

2.1.1 注浆加固原理

注浆加固主要通过对破碎围岩体内施工注浆钻孔，然后在钻孔内安装注浆管，通过专用注浆泵高压将注浆液压入钻孔内。注浆液具有很强的流动性，注浆液在高压作用下渗透至岩体裂隙带内，浆液凝固后对裂隙岩体主要有三方面作用：一是注浆凝固体对裂隙岩体进行填充封堵，防止应力在裂隙内产生卸压破坏作用及风化作用；二是注浆液凝固时对沙粒状煤岩体进行粘接固化，进行二次重组，提高破碎岩体整体承载能力；三是注浆液凝固体具有很强的抗压强度以及很好的韧性，从而提高围岩抗载荷能力。

2.1.2 注浆钻孔布置参数

8114 工作面在过断层期间，煤壁片帮量远远超过顶板破碎垮落量，顶板破碎主要是由于煤壁片帮导致端面距加大，当支架支护不及时或端面维护不到位时，很容易出现顶板垮落、冒漏事故，所以决定对煤壁布置注浆仰斜孔。

（1）注浆钻孔采用手持式钻机配套长1.2 m、直径为22 mm 的麻花钻杆以及直径为42 mm 的“八”字型合金钢钻头进行施工。

（2）注浆钻孔布置在工作面煤壁上，钻孔开孔位置距顶板距离为1.2 m，钻孔仰角为45°，钻孔深度为5.0 m，钻孔终孔位置位于工作面顶板往上1.5 m 处，注浆钻孔布置间距为3.0 m，如图1。

图1 8114 工作面断层区围岩联合控制技术（mm）

（3）由于8114 工作面揭露的F8 断层从机头处揭露，为了防止机头三角区域煤柱出现垮落，在运输顺槽侧煤壁依次施工一排注浆钻孔，钻孔参数与工作面注浆参数相同。

2.1.3 注浆工序

（1）为了不影响工作面正常回采，钻孔施工、注浆等工序在检修班施工。注浆施工顺序为：钻孔施工→安装注浆软管→连接注浆泵→钻孔封孔→开泵注浆。

（2）注浆液采用聚氨酯浆液，注浆施工时施工人员应站在上风侧，注浆时先高压将注浆液安全渗透至围岩裂隙内，然后采用低压注入使浆液在裂隙内逐渐渗入。

（3）在注浆施工时为了防止注浆返浆现象，在注浆口处应安装返浆装置和卸压装置，注浆期间一旦出现煤壁有浆液渗透时立即停止注浆。正常情况下单孔注浆量不得低于30 kg，注浆时间控制在15～20 min 范围内。

2.2 锚索梁棚施工

注浆加固后虽然可提高断层区裂隙岩体稳定性，但是当工作面局部出现片帮、端面距加大时，若不及时进行控制维护，同样会出现顶板垮落事故，所以对8114 工作面局部顶板采取锚索梁棚支护。

（1）锚索梁棚支护主要施工在端面距大于1.5 m 的煤岩胶结区，传统锚索梁棚主要采用工字钢梁与锚索配套施工。工字钢锚索吊棚在施工中存在一些缺点，主要表现在以下几方面：工字钢锚索吊棚重量大，施工时劳动作业强度高；工字钢锚索吊棚成本费用高；工字钢锚索吊棚施工后很容易对顶板产生切顶作用，导致顶板二次破坏。因此，8114 工作面决定采用JW 型钢梁配套锚索进行施工。

（2）JW 型钢梁宽0.32 m，厚度为6 mm，为了便于施工，每根JW 型钢梁长度为2.5 m，钢梁上布置两个锚索支护孔，孔间距为2.0 m。为了便于工作面回采后直接顶能够及时且全部垮落，根据8114 工作面直接顶厚度为4.95 m，确定锚索长度为4.5 m，直径为17.8 mm。

（3）锚索梁棚施工时JW 型钢梁布置与支架顶梁平行，当施工区域顶板凹凸不平吊棚施工后无法接顶时，应对钢梁与顶板之间填塞刹顶木背牢，锚索吊棚布置间排距为1.0 m，两排锚索吊棚采用迈步式布置。

3 应用效果

至2021 年4 月8114 工作面已回采至920 m 处，工作面已完全通过了F8断层区。对断层区采取注浆、锚索梁棚联合支护后，通过现场观察、单轴抗压试验以及围岩监测发现，联合支护后达到了预期围岩控制效果。

（1）围岩观察。通过现场观察围岩支护前后对比，工作面在过断层前期围岩破碎严重，煤壁片帮严重，煤体破碎成沙粒状，设计割煤深度为0.8 m，实际回采时割煤后工作面回采深度达1.8 m。而采取联合控制技术后，断层区煤岩体胶结稳定，煤岩体最小粒径0.3 m，割煤后深度控制较好。

（2）单轴抗压试验。为了验证支护前后断层区围岩强度，分别在回采前期以及加固支护后取煤岩样，进行单轴抗压试验。试验结果表明，加固前断层区煤岩体施加10 MPa 压力后，岩体已成破碎状，当压力增加至15 MPa 时岩体成细沙状；而加固后的岩体进行抗压试验时，当施加压力达28 MPa时岩体开始出现断裂，当压力增加至42 MPa 时岩体出现破碎。支护后岩体单轴抗压强度提高了2 倍以上。

（3）围岩监测。工作面过断层期间分别在850 m 以及870 m 安装顶板围岩监测仪以及煤壁片帮监测仪，通过现场观察发现，在850 m 处未采取联合支护措施时顶板下沉量达0.47 m，煤壁最大片帮深度达1.7 m；而在870 m 处采取联合支护措施，顶板下沉量控制为0.15 m，煤壁最大片帮深度为0.5 m。

4 结语

（1）通过对工作面断层区围岩采取注浆加固，浆液完全渗透至围岩裂隙内，对破碎围岩起到很好的粘接作用，有效提高了破碎围岩单轴抗压强度以及承载能力。

（2）对端面破碎顶板施工锚索梁棚能够提高端面顶板稳定性，防止因端面距加大造成顶板冒漏，在端面破碎顶板施工锚索梁棚可以保证支架工作阻力，防止支架顶梁镂空出现倒架现象。