综采工作面过断层区域注浆加固技术应用

2023-11-10李永宾

江西煤炭科技 2023年4期

李永宾

（山西煤炭运销集团盛泰煤业有限公司，山西高平 048400）

1 工作面概况

盛泰煤矿15203 综采工作面（以下简称工作面）位于二采区的中部，东部为15202 采空区，西部相隔20 m 为准备面15204 回风顺槽。南面相隔30 m 为井田边界，北部为西翼回风大巷、胶带大巷、轨道大巷。

工作面走向长度为2 580 m，倾向长度为200 m。工作面所采煤层为石炭系上统太原组15#煤，该煤层厚度变化不大，无突变现象，煤层结构简单，局部褶曲现象比较明显，但对整个工作面回采工作影响不大。15#煤含夹矸2 层，单层厚0.02～0.1 m。15#煤层顶板上部有一层夹矸，厚度0.5～1.5 m，夹矸上部有一层14#煤层，厚度0.9～1.0 m。15#煤层属半亮型呈小碎块状煤，煤质较好，煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 15203 工作面回采的15#煤层顶底板岩性

工作面回采至450 m 处时位于工作面尾部揭露一条F7正断层，断层落差为1.4 m，断层侵入后造成尾部三角煤柱出现破碎垮落现象。随着工作面推进，在构造应力、回采应力作用下尾部三角煤柱预留难度大，垮落严重。当工作面回采至455 m处时三角煤柱垮落后造成悬顶面积达8.7 m3，局部支架工作阻力达42 MPa，局部支架出现卸压现象。针对这一难题，经技术论证，决定对尾部断层区域煤壁采取注浆加固技术。

2 注浆材料选取

为了防止注浆期间出现放热反应，注浆材料采用水泥浆液，主剂为水泥，辅助剂为石灰、石膏，同时添加一定量的复合添加剂。浆液材料配比直接影响着注浆效果[1-2]，所有对注浆材料各成份必须配比合理。

2.1 复合添加剂配量

复合添加剂配量主要对浆液凝固体抗压强度有一定影响[3]，所以为了选取合适的复合添加剂配量，对选取不同浓度的复合添加剂注浆材料凝固体进行单轴抗压试验，试验结果如表2 所示。

表2 复合添加剂不同浓度大浆液凝固体单轴抗压强度变化

通过表2 发现，复合添加剂配量在1.0%～2.0%时，随着复合添加剂浓度增加岩体单轴抗压强度随时间增强，而复合添加剂浓度在2%后随着浓度增加，岩体抗压强度基本不变，所以选取复合添加剂浓度为2%。

2.2 水灰比确定

复合添加剂配量浓度确定后，采用DYE-300型抗压试验机测试对不同水灰比下浆液凝固体单轴抗压强度，测试结果如表3 所示。

表3 不同水灰比浆液凝固体单轴抗压强度变化

通过表3 可得，水灰比在（0.5～0.8）:1 范围内随着水灰比增大，浆液凝固体单轴抗压强度逐渐降低，所以选择水灰比为0.5:1。

3 注浆施工分析

3.1 注浆加固技术

采掘工作面围岩在采动前处于四向应力平衡状态，当采掘施工后受采动应力扰动影响，围岩内部出现裂隙[4-6]，破坏了围岩内部力学结构，减小了围岩内摩擦角及内摩擦系数，从而导致围岩破碎、下沉、垮落等应力显现现象[7]。工作面断层区域煤壁注浆加固技术利用注浆材料与围岩共同发挥支护作用，对煤壁内部裂隙进行高压注浆，使浆液完全渗透至裂隙带内，一方面对裂隙带内空气进行排挤，起到封堵作用，防止煤体氧化[8-10]，另一方面注浆材料具有很强的黏结作用，使破碎围岩实现二次重组，增加煤岩体间内摩擦力和内摩擦系数，改变围岩力学结构和物理性质；同时注浆材料凝固后形成网络骨架，可提高围岩抗载荷强度。

3.2 单孔注浆量

煤矿注浆施工单孔注浆量可根据以下公式进行计算：

式中：Q 为单孔注浆量，m3；R 为浆液扩散半径，水泥砂浆扩散半径为4.0 m；L 为钻孔深度，工作面钻孔深度为5.0 m，回风顺槽侧煤壁注浆钻孔深度为15 m；z 为围岩裂隙密度，取0.08；α 为注浆材料充填率，取87%；η 为注浆期间浆液流失率，取1.3。通过计算工作面单孔注浆量Q面和顺槽煤壁单孔注浆量Q壁分别为：

2.3 注浆施工方案

通过现场观察发现F7断层对工作面走向影响长度为24 m，倾向方向影响长度为16 m，即131#～121#支架之间。故决定对工作面回采期间断层影响区域的煤壁采取仰斜钻孔注浆施工，对回风顺槽侧布置深孔超前注浆加固。

（1）注浆钻孔布置。煤壁共计布置一排注浆钻孔，钻孔采用仰斜布置方式，钻孔深度为5.0 m，直径为45 mm，钻孔采用50°仰斜布置。钻孔布置在121#～131#支架前方煤壁上，距顶板间距为1.0 m，共计布置6 个注浆钻孔，钻孔布置间距为3.0 m。钻孔施工完后对钻孔内填装一根长度为6.0 m，直径为21 mm 的柔性棕绳，并安装注浆软管。回风顺槽侧煤壁布置一排注浆深孔，注浆孔深度为15 m，直径为45 mm，钻孔与顶板间距为1.5 m，钻孔布置间距为5.0 m，共计布置4 个，如图1 所示。钻孔施工后对钻孔内安装注浆花管，采用分段式注浆工艺。钻孔内分为注浆区和封堵区，注浆区共计三段，孔口段、中部段以及孔底段，封堵区两段；注浆区每段长度为4.0 m，封堵区每段长度为2.0 m。

图1 15203 工作面注浆钻孔布置平面

（2）注浆系统及设备。工作面注浆设备主要由搅拌桶、盛浆桶、吸浆管、液压注浆泵、卸压阀、压力表、混合器、截止阀、注浆管等部分组成，如图2所示。注浆泵型号为ZBY230/25-56 型，该注浆泵最大注浆流量为210 L/min，最大注浆压力为20 MPa。该注浆泵能够根据注浆压力自动调节注浆量，从而保证注浆效果。

（3）注浆工艺。注浆前将注浆设备搬运至注浆地点并与注浆孔连接好，注浆时从上风口向下方口依次注浆，注浆前必须检查设备管理连接牢固情况以及堵塞情况，保证注浆施工通畅。注浆前必须按设计准确调节好注浆配料，并搅拌均匀，配料调制均匀后打开注浆泵进行注浆施工。注浆时将注浆压力调制最大压力即25 MPa，注浆一段时间后注浆压力降低。注浆过程中应严格观察煤壁浆液渗透情况，当煤壁出现浆液渗透时立即停止注浆，然后再次开泵观察，若再次开泵煤壁同样出现浆液渗透且与前一次时间间隔短时立即停止注浆，并清理注浆系统。

4 应用效果分析

4.1 提高了煤岩单轴抗压强度

通过对工作面断层区煤壁采取注浆支护技术后，浆液能够完全渗透到断层裂隙区内，使破碎煤岩进行二次重组，通过单轴抗压试验发现，注浆后的煤岩体单轴抗压强度能够提高至45 MPa。通过对工作面煤壁未注浆区和注浆区施工钻孔并进行窥视发现，在未注浆区钻孔孔口一定范围内塌孔现象严重，随着钻孔钻进孔壁岩体出现局部裂隙现象，孔壁出现凸凹不平，如图3（a）所示；而采取注浆措施后窥视孔孔壁光滑，未见裂隙现象，孔壁煤岩体完整，如图3（b）所示。