注浆加固技术在工作面过断层中应用

赵景川

（山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司，山西晋城 048108）

综采工作面回采期间经常遇到陷落柱、断层、褶曲等地质构造，其中断层是最常见地质构造之一，断层侵入煤体后造成断盘两侧煤体在空间上出现位移，岩体内部力学结构发生改变，构造区内形成的构造应力对煤体产生破坏作用，导致工作面揭露断层前后时煤壁片帮、顶板破碎、顺槽底鼓、巷道收缩等应力显现现象，对工作面安全回采影响较大；所以工作面回采期间根据断层赋层特征采取合理有效的围岩控制技术，对工作面回采安全具有重要意义；本文以四侯煤矿3201 工作面为研究对象，对工作面过断层期间提出了注浆加固技术，成功解决了综工作面过断层时围岩控制难度大、效果差等技术难题。

1 概述

山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司3201工作面位于井田二采区，工作面东部为3202工作面，西部为井田边界，南部为二采区运输巷、二采区回风巷，北部为二采区西翼

3201工作面可采长度为1100m，切眼长度为185m，回采煤层为山3#层，平均厚度为2.88m，倾角为3°，煤层为黑色—灰黑色，半亮—光亮型煤，玻璃—似金属光泽，条带状结构，层状构造，阶梯状、贝壳状断口，条痕灰黑色，裂隙不发育，为光亮型煤。煤层赋存稳定，结构简单，含0～3层夹矸，夹矸为泥岩，煤层裂隙不发育，进、回顺槽掘进期间，都遇到不同程度的构造发育，夹矸变厚，煤层变薄等情况。煤层顶底板岩性如表1所示。

表1 3201工作面回采的3#层顶底板岩性表

3201 工作面回采区域整体地质构造相对简单，主要以中小断层为主，根据前期巷道掘进地质资料显示，3201 工作面回采期间共计揭露5 条正断层，断层具体参数如表2所示，布置位置如图1所示。

图1 3201工作面断层布置平面示意图

表2 3201工作面断层参数表

2 注浆加固支护技术

3201工作面揭露的5条正断层对工作面回采影响不大，工作面过断层时主要采用强行破岩法回采工艺，2022年6月17日、26日工作面分别揭露F1、FS3断层，在揭露断层期间，围岩破碎严重，巷道推进难度大，所以决定对工作面过其他断层时对围岩采取注浆加固技术。

2.1 断层区围岩加固机理

断层区围岩在构造应力卸压破坏作用下，煤岩体破碎严重，煤岩承载强度降低，工作面回采时在叠加应力作用下会进一步顶底板及煤壁煤岩体破碎程度，导致端面距加大、端面顶板垮落以及煤壁片帮等；破碎区围岩采取注浆加固后浆液沿围岩裂隙渗透并凝固，形成具有一定抗压强度的连续网络承载骨架，如图2 所示，从而改变围岩内部物理性质以及化学力学结构，如提升煤岩体内摩擦角和粘聚力等，达到提高围岩稳定性的目的。

图2 注浆后形成的网络骨架结构示意图

2.2 注浆材料选取

注浆材料选取水泥—水玻璃作为注浆材料，其中水泥、水玻璃作为主剂，氢氧化钙作为速凝剂，磷酸氢二钠作为缓凝剂，水泥采用52.5#高强度矿用硅酸盐水泥，采用水玻璃模数为2.4～3.4，浓度为30～45°Be′，水泥与水玻璃配比为1∶1,速凝剂添加量为水泥的20%，缓凝剂添加量为水泥的3%。

2.3 注浆钻孔布置及注浆工艺

截止2022年8月19日工作面已回采至340m，通过钻探发现在工作面前方2～12m 范围内逐渐揭露FS7断层，该断层对工作面回采影响长度为27m；根据F1断层区围岩破碎情况，工作面在揭露断层期间对工作面煤壁采用浅孔注浆，在回风顺槽侧煤壁采用深孔超前注浆。

（1）工作面布置两排注浆孔，孔深为5.0m，直径为45mm，工作面布置两排“三花”孔，上排孔布置在顶板下0.5m 处煤壁上，布置仰角为15°，下排孔布置在底板上1.5m处煤壁上，布置仰角为6°。

（2）超前注浆深度为15～30m，钻孔布置在回风顺槽侧煤柱上，共计布置一排，钻孔垂直布置，钻孔直径为45mm，布置间距为5.0m，第一个钻孔超前工作面5m布置。

（3）工作面揭露断层前2.0m 时开始对工作面煤壁注浆，注浆流量为40kg/孔，单孔注浆稳压时间不低于10min，注浆压力为5MPa;超前注浆孔注浆流量为75～110kg/孔，注浆压力为15MPa。

3 注浆效果分析

为了验证注浆后围岩物理、化学结构改善情况，分别对注浆区施工窥视孔观察注浆效果以及取样对注浆围岩进行单轴抗压试验，试验结果表明：

（1）在工作面断层区域内未注浆区和注浆区分别施工一个直径为80mm,深度为4.0m 窥视孔，利用CHK7.2（B）矿用钻孔成像仪进行孔壁围岩观察发现，在注浆前孔壁岩体成破碎结构，并存在裂隙，孔口处出现塌孔现象，如图3（a）所示；注浆后孔壁煤岩体完整性好，无裂隙发育现象，如图3（b）所示。

图3 注浆前后孔壁煤岩体窥视图

（2）分别取注浆前后相同规格的煤岩体样块，通过单轴试验发现，未注浆前煤岩体单轴抗压强度为9.5MPa，注浆后煤岩体单轴抗压强度为28.4MPa，注浆后岩体单轴抗压强度提高了3倍，起到了抗压作用。

4 结语

（1）3201 工作面在过断层期间受集中应力破坏作用，围岩破碎严重，若不采取围岩控制措施，对工作面回采影响大，造成支架工作阻力不足现象，导致顶板破碎、垮落、煤壁片帮事故发生。

（2）对3201工作面断层区采取注浆加固技术后，能够使为岩裂隙进行填充、封堵，注浆后形成的承载网络骨架能够起到抗压、抗载荷作用，通过孔壁窥视以及单轴抗压试验发现，注浆后岩体增加了围岩内摩擦角和粘聚力，改善了围岩内部物理及化学性质。

（3）工作面在后期过F133、F134断层时同样对断层区采取注浆加固技术，回采过程中未初选顶板垮落、煤壁大面积片帮事故，回采速度由原来的3.2m/d 提高至5.6m/d，由此可见注浆加固技术能够保证工作面安全快速过断层区，针对性强、应用效果好。