综放工作面过断层破碎带注浆加固技术应用

张 健

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西 晋城 048000）

煤矿采掘作业受断层构造影响极大。断层在形成过程中，其附近岩层受断裂错动影响变得极为破碎，形成应力集中区，且构成导水通道，工作面回采至断层附近时存在片帮、冒顶及突水的风险，严重影响矿井的安全生产[1-3]。常规掘进工作面距断层60 m 前采取超前探测的措施，进一步探明断层的产状及富水性；工作面回采过断层时，采取短割短支、超前对两巷及工作面顶板进行加固、加强注水及封闭煤墙等措施直接通过断层。但通过现场施工反馈，常规措施存在工序繁杂、安全隐患大等问题，而且极大影响工作面的生产效率[4-5]。伯方煤矿结合3209 工作面回采过断层现场实际条件，采取预注浆固化顶板煤岩体的措施，充分发挥煤岩体自身的承载能力，以此提高工作面顶板的稳定性，保证工作面回采期间安全顺利过断层，达到预期的目标。

1 工程概况

伯方煤矿3209 工作面主采3#煤层，煤层赋存稳定，煤厚5.3 m，煤层倾角2°～5°，平均倾角3°，工作面采用综放放顶煤工艺。3209 回风巷掘进过程中揭露F2 断层，后经打钻探测，进一步探明断层的产状：65°∠54°，落差 6.2 m，属正断层。3209 工作面现切巷位置距断层185 m，工作面过断层施工期间，易出现煤墙片帮、液压支架架间漏煤及矸石等现象，甚至存在大面积冒顶的风险，极大增加工作面顶板管理的难度，直接影响工作面的正常回采。为保证工作面顺利、安全通过F2 断层，强化顶板管理工作，计划对断层及其附近范围的煤体进行注浆。通过采取注浆措施，使断层及其附近范围的煤体固结，提高煤体强度及承载力，杜绝出现煤墙片帮及架间漏煤，继而防范冒顶事故的发生。工作面顶板注浆加固范围示意图如图1。

图1 3209 工作面顶板注浆加固范围示意图

2 注浆固化机理

断层在形成过程中，上下盘在错动时，附近的岩石受拉伸、挤压及揉搓等影响，煤岩体的原生状态受到破坏，变得极为破碎，强度明显降低。对煤岩体注浆时，浆液在高压作用下，首先压稀浆充分填充裂隙，之后压稠浆填实裂隙。破碎的煤岩体在浆液的作用下重新胶结形成一体，煤岩体完整性提高，稳定性增强，并形成一定的承载力及强度，达到固化煤岩体的效果，确保工作面在过断层回采期间不出现煤墙严重片帮或冒顶事故。

3 注浆固化方案

3.1 注浆材料

此次注浆材料选择一种新型高水注浆材料，该材料由中国矿业大学研发，具有以下特点：（1）渗入能力强；（2）水灰比高；（3）成本低；（4）凝固时间短且可调节，一般为18 min；（5）固结效果好；（6）适用于工作面煤岩体大范围注浆。

3.2 注浆加固技术方案

3.2.1 施工技术思路

（1）工作面两巷预注浆。划定断层影响区域，在工作面两巷超前切眼一定距离对断层影响区域煤体采取注浆加固措施，通过钻孔向煤体中注入浆液固化煤体。

（2）工作面煤墙预注浆。当工作面推进至断层影响区域时，若煤岩体仍破碎，煤墙及顶板支护困难时，则直接在切眼煤墙施工注浆孔对回采前方煤体进行加固。

3.2.2 注浆孔设计

结合现场实际条件，制定科学合理的注浆孔设计方案，坚持优化工程量、降低钻孔施工难度及提高注浆效果等原则。3209 工作面倾向长度125 m，F2 断层沿工作面切巷方向发育，影响区域贯穿整个切巷，现需对该区域采取注浆加固措施。注浆钻孔设计长度为30～60 m，为保证钻孔成孔质量，选用履带式全液压钻机进行施工。结合工作面现场实际条件，提出以下4 种差异化设计方案，通过对比分析确定最优的注浆孔布置形式。

（1）一字型平行布置设计。注浆孔垂直于巷帮布置，与巷道走向水平方向呈平行布置形式。注浆孔布置示意图如图2。

图2 一字型平行布置示意图

该方案优点为注浆钻孔布置均匀，注浆时较常规上下布置方式不易出现注浆孔窜浆现象。其缺点为注浆控制区域小，另需频繁挪移、稳固钻机，造成职工劳动强度增加、工效低，安全风险大。

（2）竖直扇形布置设计。注浆钻孔垂直于巷帮布置，按一定的间排距进行设计，每排设计上、中、下3 个钻孔，钻孔倾角不同，呈扇形布置形式。注浆孔布置示意图如图3。

图3 竖直扇形布置示意图

该方案优点为注浆孔控制区域大，有效减少空白带，且不需要频繁挪移、稳固钻机，相对提高钻机的施工效率。其缺点为每排布置3 个注浆孔，对开孔处煤体扰动较大，易出现煤体片帮，影响巷道整体支护强度，同时易出现钻孔窜浆。

（3）水平扇形布置设计。每组共计3 个注浆孔，沿同一水平方向设计，注浆孔在水平与竖直方向均呈扇形布置。注浆孔布置示意图如图4。

图4 水平扇形布置示意图

该方案优点为每施工完一组钻孔后挪移一次钻机，且对开孔处煤体扰动小。其缺点为每组两侧的两个钻孔因与巷帮呈一定的夹角，钻孔深度及工程量增加。

（4）混合布置设计。结合以上3 种设计方案的优缺点，最终确定采取注浆钻孔混合布置的方案。混合布置示意图如图5，①号、②号钻孔呈竖直扇形设计， ②号、③号钻孔呈水平扇形设计。

图5 混合布置示意图

方案4 同时集中前3 种方案的优点，不仅优化钻孔工程量，而且有效减少注浆空白带，同时减少挪移及稳固钻机次数，降低施工的安全风险及职工的劳动强度，另通过合理布置钻孔，杜绝了窜浆现象。综上分析，最终确定注浆钻孔采用混合布置的方案，满足注浆效果要求。

3.3 施工方案设计

3.3.1 巷道注浆加固

在3209 工作面上下顺槽对断层影响区域进行注浆加固。沿巷道走向方向，每间隔4 m 施工两组钻孔，两组钻孔间距2 m，每组共计3 个钻孔，采用混合布置方式。

（1）钻孔设计参数。根据断层影响区域煤厚、煤层倾角等基础资料，依据合理的注浆扩散半径，通过计算确定注浆孔深度及倾角。每组钻孔开孔位置均为巷帮距顶1.2 m 处，①号、②号及③号注浆孔间距均为0.4 m，其中①号注浆孔设计水平深度4 m，②号注浆孔24 m，③号注浆孔20 m；间隔2 m施工下一组注浆孔，开孔位置及间距与上一组均相同，其中①号注浆孔设计水平深度12 m，②号注浆孔32 m，③号注浆孔28 m。注浆孔布置示意图如图6。

图6 注浆孔布置示意图（m）

（2）注浆材料。钻头采用Ф72 mm 合金钢钻头；注浆管采用Ф25 mm 无缝钢管加工，长度2.4 m，注浆管一端提前车丝，长度为100 mm，用于连接管子及安装孔口球阀；排气管采用12 mmPVC 管，长度2.4 m，封孔采用Ф45 mmPE 管，管子长度7 m，封孔长度5 m。

（3）注浆液配合及注浆压力。水灰比 1.5:1，注浆压力3～5 MPa。

3.3.2 工作面注浆加固

工作面推进至断层影响区域时，局部若出现煤体固化效果差、易发生煤体片帮及顶煤冒落时，采取在工作面切巷二次注浆加固措施。注浆孔沿工作面切巷布置，设计间距为1500 mm，距顶200 mm，倾角+45°，孔深以控制液压支架顶梁上方大于4 m 范围为准。注浆管采用Ф25 mm 无缝钢管加工，长度2.4 m，封孔深度1 m，注浆压力2～3 MPa。注浆孔布置图如图7。

图7 注浆孔布置图（mm）

3.4 顶板管理措施

（1）采煤机割煤后及时伸出伸缩梁进行临时支护，若顶板较破碎时，必须采取带压移架措施，减少顶板空顶时间。

（2）带压移架时，保持支架顶梁距顶不大于100 mm，杜绝出现大面积悬顶。升架时，油缸必须稳定供液4～6 s，保证支架初撑力不低于设计值的90%。

（3）严格控制采高。采高控制为2500 mm，防止煤墙出现片帮及冒顶。

（4）强化工程质量管控，确保支架平直度达到作业规程要求，杜绝出现跳台现象。

（5）严格执行正规循环作业，提高工作面推进度。

3.5 实施效果

伯方煤矿根据注浆加固方案对3209 工作面受F2 断层影响区域进行注浆加固，通过采取钻孔窥视仪观测及回采实揭情况，总结注浆效果如下：

（1）利用钻孔窥视仪对钻孔孔壁煤体胶结、完整程度进行观测，煤岩体中裂隙被浆液填实，重新胶结形成一体，孔壁完整，注浆效果明显。

（2）随工作面推进至断层影响区域，现场实揭煤体固化效果较好，煤体完整且具有一定强度，工作面煤墙未发生片帮，顶煤未发生冒落，工作面顺利完成过断层施工。

4 结论

（1）伯方煤矿针对3209 工作面过F2 断层施工现场实际条件，提出一字型平行、竖直扇形、水平扇形及混合布置四种注浆孔设计。通过对四种方案进行对比分析，最终确定在工作面上、下顺槽采用混合布置的方案施工注浆钻孔。该方案有效减少注浆空白带，进一步优化钻孔工程量，提高现场施工的安全系数，降低职工的劳动强度。

（2）通过在工作面上、下顺槽超前对工作面断层影响区域进行注浆加固，同时在工作面回采至断层影响区域时对煤墙进行二次注浆加固，煤岩体中裂隙被浆液填实，趋于完整且具有一定强度，工作面回采过断层期间，未发生煤墙片帮及顶煤冒落现象，顺利完成过断层施工。