急倾斜综采工作面断层注浆加固方案探讨

周强 唐良果 张孟军 黄建 刘建 周忠国

（四川省华蓥山煤业股份有限公司绿水洞煤矿，四川华蓥 638600）

0.引言

四川省华蓥山煤业股份有限公司绿水洞煤矿位于华蓥山复式背斜中段，矿区内断层较发育，且构造复杂，回采巷道掘进过程中多揭露出落差不齐、产状不同的断层，受断层影响，煤层顶底板不平整，围岩破碎，顶板管理难度大。传统采取硬推过断层的方式推进度慢、产量低，对安全生产也造成极大的威胁；迈过断层重新开切的方式造成煤炭资源、时间、人力、物力、财力的极大浪费。为此，对急倾斜综采工作面断层注浆加固，寻求过断层的新方法成为矿井急需解决的问题[1-5]。

1.急倾斜煤层综采工作面过断层带超前煤壁人工作假顶的方式

绿水洞煤矿急倾斜煤层综采工作面断层带影响范围（断层落差大、顶板破碎、煤壁松软）由上向下对煤壁进行爆破，然后采用单体支柱、锚索配合11号工字钢对顶板进行支护，每一轮爆破扩刷走向长度为2m。工作面断层带影响范围假顶做好之后再进行切割拉架，如此循环直至过完断层。

传统采取人工超前煤壁作假顶的方式硬推过断层，由于断层应力重新分布影响，工作面煤壁片帮严重，割顶底板岩石较厚，对设备损伤较大，顶底板不平整支架无法接顶，出现支架咬架、背架、压架现象，导致调架困难，加之煤层倾角较大，顶板垮落的矸石易飞矸伤人，此方法不符合矿井安全、高效发展的要求。

2.急倾斜综采工作面过断层注浆加固方案设计

2.1 工作面及断层基本情况

绿水洞煤矿3223综采工作面及已揭露的F322302断层基本情况：3223工作面位于矿井西翼322采区，设计走向长度1200m，平均斜长约110m，平均倾角55°，平均采高3.25m；3223机巷水平标高+370m～+400m，平均385m；工作面圈定范围北边为已回采结束的3221工作面，上部为已回采结束的3222工作面，下部和南边为矿井井田边界。结合3223机巷揭露、穿层钻孔及顺层钻孔资料分析，F322302断层落差在0m～2.5m，随着F322302断层向3223工作面内部延深，F322302断层对3223工作面回采的影响逐步减弱。具体影响范围在走向上机巷揭露点向石门方向约66m，实际影响较大约52m；倾向方向上影响范围为机巷以上0m～27m，断层处采高4.5m～5.2m，倾斜影响长度2.5m～13m。

2.2 注浆加固钻孔设计

根据F322302断层对3223工作面回采影响范围，结合生产实际情况，为了减少钻孔和注浆施工对回采工作的影响，对F322302断层破碎带注浆加固拟采取超前预注浆加固的方法进行。

根据注浆实践，结合断层破碎带的具体情况，注浆孔布置从3223工作面机巷3#探煤孔开始，至F322302断层揭露点，总长度约61m。浆液扩散半径按照2m计算，采高4.5m～5.2m，在垂直底板方向浆液渗透范围即加固范围至少要达到6m以上，所以垂直煤层底板方向布置注浆孔两个为宜，两个注浆孔分别距煤层底板1.5m、4.5m，在垂直煤层底板方向上理论加固范围为7m，即底板以下0.5m，顶板以上1.5m左右。在平行煤层底板方向，为了确保注浆区域的全覆盖，一定要使相邻注浆孔浆液互相渗透（重叠），因此平行煤层底板方向注浆孔排距设计为3m比较合适。注浆孔沿煤层钻进方位为119°，注浆孔倾角平行于煤层顶、底板，注浆孔深度至F322302断层影响上边界。共布置注浆孔21排，合计42个注浆孔。注浆孔布置平、剖面示意图见图1和图2。

图1 注浆孔布置平面图

图2 注浆孔布置剖面图

注浆孔根据其深度分为两类，深度大于10m的使用坑道钻机施工，小于10m的使用锚索钻机施工。由于施工机械的不同，因此钻孔直径有所不同。深孔的钻孔直径应不超过Ф63mm为宜，浅孔直径不超过Ф42mm为宜。注浆孔编号顺序为：排序号自3号探煤孔开始为第1排、第2排、第3排……第21排；每排内注浆孔编号为自下而上分别为1号孔、2号孔。具体参数见表1。

表1 钻孔设计参数表

2.3 注浆加固材料选择

设计选用HWJ-加固材料，其加固原理是通过注浆钻孔高压注入到破碎煤岩体的裂隙内，在高压作用下，浆液在被加固地层内渗透、膨胀，随即产生一系列物理化学反应，生成一种对破碎煤岩体具有很强黏结性、充满整个裂隙的固结体网络骨架，从而对被加固地层起到补强加固和充填密实作用。

注浆管采用Ф26.8mm（俗称6分管）焊管制作，壁厚为2.5mm，规格为1m/根，管两端车成标准管螺纹；注浆花管与注浆管相同，只是杆体上每隔200mm均匀钻出Ф6mm导流孔(梅花状)，个别管终端扎呈稍扁状，以增加注浆出口压力。

注浆辅助材料主要包括注浆管、注浆花管、管箍、混合器、输料管、快速接头以及封孔材料等。

2.4 注浆加固施工工艺和方法

总的施工顺序是：准备→钻孔→安装注浆管→封孔→注浆→检查注浆质量→结束。注浆顺序是先注下面孔，然后注上面孔。

注浆孔施工时，严格按照设计间、排距、方位和角度布置，间排距最大误差控制在±150mm以内，孔深误差控制在0m～100mm。

在安装注浆管的同时进行封孔。封孔深度对于20m以上的深孔，封孔长度不小于2m；对于10m～20m的注浆孔，封孔长度不小于1.5m；对于10m以内的注浆孔，封孔长度不小于1m。封孔采用棉纱与HWJ-加固材料或用高分子封孔材料进行封孔。具体方法是，首先将棉纱缠绕在注浆管上，然后用HWJ-加固材料或高分子封孔材料浸透，最后快速插入注浆孔内。待封孔材料凝固后即可进行注浆施工。对于直径较大的注浆孔，封孔也可以采用“两堵一注”囊袋式封孔器封孔，或者其他的封孔方法进行封孔。

注浆施工具有隐蔽性强的特点。因此，必须设专人负责对注浆孔号、每孔注浆起止时间、注浆压力、注浆量做好记录和整理，以便于以后分析和评估注浆效果。

浆液制作时，需充分搅拌均匀，严格掌握注浆参数、浆液配比，并应搅拌一桶注一桶。水灰比和注浆终压，应该满足设计要求。在吸浆口处设置过滤网，以防浆液结块进入注浆泵内。

注浆过程中，当注浆压力达到设计终压后，关闭注浆泵3min～5min，当注浆压力明显下降时，再点动开启注浆泵，直至注浆压力稳定在注浆设计终孔压力值不再下降，即可停机、关闭注浆阀，在开启泄压阀后才能换孔注浆。

在注浆期间，如果单孔注浆量超过1.5t且仍达不到设计压力时，一般认为是浆液沿大裂隙定向向外扩散所致。应采用注注停停的方法逐渐加压注浆；或重新在该孔附近打注浆孔复注，以保证巷道围岩内浆液扩散均匀。

2.5 注浆加固结果检测

注浆加固最终质量检验可以通过以下方法：

注浆压力：即注浆终压恒定≥1.5MPa时，说明该注浆孔注浆完成。

检查孔探查：利用风动凿岩机、锚杆钻机或其他钻机，打检查钻孔以检查注浆加固质量。如果钻进顺利、钻机声音正常、不卡钻、成孔良好、不塌孔、孔壁不掉渣，说明注浆加固效果良好，否则，应进行重新注浆加固。

2.6 注浆加固材料预算

每个注浆孔的浆液注入量，与浆液损失系数、注浆段长、浆液扩散半径、煤柱裂隙率等有关。一般情况下，浆液损失系数为0.2，煤柱裂隙率为0.05～0.07，注浆段长为孔深与浆液扩散半径之和。

浆液扩散半径是注浆领域的一个重要指标，这个指标受煤岩体裂隙发育程度（煤柱裂隙率）、注浆压力、浆液渗透率、浆液反应时间等多种因素影响，而且这些因素取决于各种不确定的地质因素，因此，目前对浆液扩散半径尚没有可靠的测算方法只能根据经验估算，一般断层破碎带浆液扩散半径不小于1.5m。

3.急倾斜工作面断层注浆加固效果预期及意义

急倾斜工作面断层注浆加固项目属全国首例，无成功先例可循。断层注浆加固后，工作面在回采过程中，若断层带切割后顶板不出现大面积离层垮塌、煤壁片帮减少，不需再采取超前煤壁人工作假顶过断层，即宣布断层注浆加固项目取得成功。

急倾斜工作面过断层注浆加固项目取得成功，工作面在断层带中的回采安全得到保障，回采效率得以提高，相比迈过断层重新切割的方式，最大程度地回收了煤炭资源，节省了时间和人力、物力、财力，对西南地区乃至全国地质构造复杂、断层发育的急倾斜煤层矿井过断层注浆加固具有指导意义。