綜采面過斷層泥質(zhì)破碎帶注漿加固技術(shù)研究

楚 超(同煤集團雁崖煤業(yè)公司， 山西 大同 037031)

1 前言

綜采是現(xiàn)階段煤礦最常用的開采技術(shù)，工作面開采遇到的斷層、褶曲等構(gòu)造，給煤炭的正常開采帶來顯著影響[1-2]。綜采工作面過斷層時，遇到的頂板冒頂、煤壁片幫、圍巖控制困難等問題，如何保證綜采工作面安全、快速通過斷層時煤炭開采過程中需要解決的現(xiàn)實問題[3-5]。文中以山西某礦110203回采工作面為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場實際條件提出合理的工作面過斷層技術(shù)，并針對斷層泥巖破碎帶圍巖控制困難問題，采用注入馬麗散方式固結(jié)破碎巖體，有效解決圍巖控制困難難題，現(xiàn)場應(yīng)用取得顯著效果。

2 工作面概況

2.1 地質(zhì)概況

110203工作面開采2號煤層，賦存穩(wěn)定，傾角5°～10°，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中間夾雜有2～3層泥巖矸石(厚度在300～500mm)，是礦井的主采煤層之一。110203工作面采用綜采方式，采高4.3m，煤層頂、底板以泥巖、粉砂巖以及砂巖為主。在工作面內(nèi)有F18斷層，斷層落差為3.8m，斷層在工作面風(fēng)巷影響范圍為51m，在機巷影響范圍為18m，對工作面生產(chǎn)影響較大，具體斷層位置如圖1所示，斷層巖性結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 斷層與工作面位置關(guān)系

2.2 采面過斷層方案

F18正斷層落差在3.8m，通過現(xiàn)場條件，決定采取平推硬過法過斷層，為保留2號煤層底煤，采煤機截割頂板巖層，從而使得工作面直接頂與巖層直接接觸，便于頂板巖層控制。F18正斷層貫穿于整個回采工作面，走向、傾向角度分別為180°、70°，落差3.8m，起坡角7°，具體工作面過斷層如圖3所示。

圖3 工作面過斷層示意圖

工作面液壓支架起坡點位置可以根據(jù)式(1)計算

(1)

(2)

式中：H——斷層落差，取值3.8m；

M——工作面采高，取值4.3m；α、β分別表示斷層傾角(70°)、工作面起坡角(7°)。

將上述參數(shù)帶入式(1)、式(2)，求得L1=29.57m，L2=28.11m。工作面起坡度點距離F18斷層約30m位置處，即工作面推進至580m位置處開始起坡。

3 注漿加固技術(shù)

3.1 加固機理

工作面開采至斷層附近時，采動影響下斷層原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)力重新平衡過程中加劇本已破損的巖層破碎程度，采面過斷層時極其容易發(fā)生頂板冒落事故[6]。通過注漿，注漿漿液將破碎煤、巖體縫隙填充，提升煤、巖體的內(nèi)聚力以及內(nèi)摩擦角，形成網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，提升巖層穩(wěn)定性，確保工作面過斷層破碎帶時的安全[7-9]。

3.2 注漿材料

由于F18破碎帶以泥巖為主，注漿選用滲透性、膠結(jié)性等較好的馬麗散漿液。馬麗散由催化劑以及樹脂按照1∶1混合而成，待到兩者混合攪拌后，黏度降低可注性顯著提升，注漿漿液可以沿著裂隙擴散，實現(xiàn)段時間內(nèi)凝結(jié)、加固煤巖體作用。

3.3 注漿工藝

在井下注漿具體分為注漿鉆孔施工、鉆孔封孔以及馬麗散注入三個環(huán)節(jié)。鉆孔施工采用煤錨桿機，注漿動力為井下壓風(fēng)。具體采取的注漿工藝如圖4所示。

1—注漿管；2—專用封口器；3—注漿鐵管；4—專用注射槍；5—高壓膠管；6—注射泵；7—樹脂材料；8—催化劑圖4 注漿工藝設(shè)備組成及連接示意圖

3.4 注漿鉆孔布置設(shè)計

根據(jù)10203工作面頂板、煤壁破碎情況，在圍巖較為破碎位置進行注漿加固，具體注漿鉆孔布置如圖5所示。為了確保工作面過斷層期間安全進行，在與斷層相距20m位置處就開始對煤、巖體進行注漿。10203工作面生產(chǎn)采用三八制，推進速度平均為3m/d，注漿工作在檢修班進行。

圖5 注漿鉆孔布置示意圖

(1)依據(jù)110203工作面圍巖破碎情況，確定的注漿孔42mm、深6m，封孔1.5～2.0m。為提升注漿效果，布置雙排注漿孔，上排鉆孔開孔口位于工作面頂板下方1m處，鉆孔傾角為15°，下排鉆孔位于底板上方2m處，傾角5°。

(2)注入的馬麗散漿液有效擴展半徑為2.5m，為了保證注漿效果，設(shè)計的注漿鉆孔間距為4m，上、下兩排注漿鉆孔布置呈現(xiàn)倒三角方式。

(3)注漿注漿量是確保圍巖控制效果的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)理論分析結(jié)果以及現(xiàn)場試注效果，確定單孔注漿量400kg，采取間歇注漿方式。

(4)注漿壓力同樣對注漿效果有顯著影響，注漿壓力過小會降低注漿漿液的有效擴展半徑，注漿壓力過大會引起煤、巖體劈裂，漿液流失嚴重。根據(jù)現(xiàn)場試注結(jié)果，確定注漿鉆孔的注漿壓力為4～6MPa。

4 注漿效果

為了對注漿后的采面圍巖完整性進行驗證，采用鉆孔窺視對注漿前后的頂板巖層情況進行窺視，具體對比結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，采用馬麗散注漿后，漿液在采面破碎圍巖中擴展、固結(jié)效果明顯，可以很好地填充破碎巖層裂隙，起到固結(jié)作用，增加圍巖整體穩(wěn)定性。工作面頂板在斷層影響下完整性差、強度低，加之受到采動影響，極其容易出現(xiàn)冒落，甚至支架壓死事故。采用注漿加固后，確保了采面順利、安全通過斷層泥質(zhì)破碎帶。

圖6 注漿前后的頂板巖層窺視對比結(jié)果

5 結(jié)論

(1)根據(jù)110203工作面與斷層位置關(guān)系，確定采用留底煤、割頂巖的過斷層方式，并詳細對工作面起坡點位置進行計算。

(2)受到F18斷層影響，斷層破碎帶內(nèi)為泥質(zhì)砂巖、泥巖等，在分析注漿加固機理基礎(chǔ)上，選擇馬麗散作為注漿材料，并設(shè)計了注漿鉆孔參數(shù)。

(3)采用鉆孔窺視儀對注漿效果進行檢驗，結(jié)果表明注漿后斷層泥質(zhì)破碎帶內(nèi)的巖層完整性得以顯著提升，改善了泥質(zhì)破碎帶內(nèi)的巖體物理力學(xué)參數(shù)，保證了工作面過F18斷層時泥質(zhì)破碎帶安全。