趙莊煤業(yè)工作面過(guò)斷層圍巖控制技術(shù)研究

王強(qiáng)強(qiáng)

（晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000）

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，采煤工作面過(guò)斷層[1-2]是生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，斷層破壞了頂板圍巖條件。大量工程實(shí)踐表明，此類圍巖條件不做好加固處理，將造成冒頂或者架后漏空，導(dǎo)致支架不能接頂，給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、地質(zhì)條件調(diào)查，趙莊煤業(yè)3 號(hào)煤3307 工作面超前段和斷層帶附近圍巖受超前支承壓力、斷層、水等的影響，圍巖遭到嚴(yán)重破壞。為保證順利通過(guò)斷層段，避免支架上方頂板或者煤體漏冒現(xiàn)象，確保工作面快速、安全通過(guò)此區(qū)域，采用注漿加固[3-5]圍巖的加固方案。

1 工程背景

3307 工作面位于+920 m 水平的3 盤(pán)區(qū)，工作面標(biāo)高+904～ +948 m，主采3號(hào)煤，煤厚平均4.5 m，傾角4～6°，綜采采煤工藝，一次采全高，平均采高為4.5 m。3307 工作面運(yùn)輸順槽距離切眼500 m處遇到落差約為0～10 m 左右的斷層，落差較大，沿工作面推進(jìn)方向長(zhǎng)度約55 m，進(jìn)入工作面長(zhǎng)度約72 m。同時(shí)，3 號(hào)煤層頂板含有夾石層和沖刷帶，頂板K2 灰?guī)r為含水層，巖層賦存狀況復(fù)雜。為此，擬對(duì)該工作面過(guò)斷層段采用注漿加固的方法，保證工作面安全回采。斷層位置圖如圖1 所示。

圖1 斷層位置圖

2 過(guò)斷層方案

3307 工作面底板為灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為泥質(zhì)粉砂巖，厚7.82～8.87 m，為軟弱巖石，對(duì)采煤機(jī)切割、工作面推進(jìn)速度影響較小，采用從煤層底板進(jìn)入煤層的過(guò)斷層方案較為合理。即：3307工作面回采至斷層前方55 m 左右，將支架下壓，從煤層底板逐漸進(jìn)入斷層另一側(cè)的煤層中，然后繼續(xù)回采。

3 過(guò)斷層圍巖注漿加固方案

3.1 圍巖加固方法選擇

工作面過(guò)斷層區(qū)域，圍巖破碎，在此條件下，注漿加固是圍巖控制的有效途徑。對(duì)破碎圍巖進(jìn)行注漿加固，漿液能夠很好地充填圍巖內(nèi)部裂隙并對(duì)破碎圍巖進(jìn)行膠結(jié)，改善圍巖結(jié)構(gòu)，并提高其完整性，改善其力學(xué)性能，提高破碎煤巖體自身承載能力，保證采煤過(guò)程的穩(wěn)定性。因此，3307 工作面過(guò)斷層區(qū)域選擇注漿加固的方法以達(dá)到有效控制圍巖破碎的效果，保證工作面安全回采。

3.2 注漿范圍確定

工作面前方煤體受超前支承壓力影響，產(chǎn)生變形。煤壁到超前支承壓力峰值段內(nèi)的煤體，分為塑性區(qū)和裂隙區(qū)。塑性變形區(qū)煤巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育程度適中，圍巖內(nèi)部應(yīng)力也不是太大，較其他變形區(qū)更易于注漿，便于注漿效果的發(fā)揮。因此，確定塑性變形區(qū)為3307 工作面過(guò)斷層區(qū)域超前預(yù)注漿加固范圍。

超前支承壓力峰值點(diǎn)距離采煤工作面的變化范圍理論計(jì)算誤差大，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇變化范圍為3～20 m，一般為5～12 m。應(yīng)力降低區(qū)寬度，即松塌區(qū)和裂隙區(qū)寬度之和變化范圍為2～7 m，一般為3～5 m。因此，確定超前3307 工作面煤體2～3 m 進(jìn)行加固，此時(shí)支架下坡的起坡點(diǎn)正好處于塑性區(qū)范圍內(nèi)，如圖2 所示。

圖2 工作面超前加固鉆孔布置示意圖

3.3 注漿材料

選擇具有可注性強(qiáng)、流動(dòng)性好、滲透性強(qiáng)、膠結(jié)性好等性能的注漿材料，可大幅度提高注漿加固效果。根據(jù)3307 綜采工作面的過(guò)斷層區(qū)域圍巖地質(zhì)條件，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察分析，選擇一種新型無(wú)機(jī)雙液注漿加固材料作為此次注漿加固材料。

（1）材料為無(wú)機(jī)粉末，分為甲、乙兩種，規(guī)格25 kg/包，常用水灰比0.8:1～1.2:1。甲、乙料分別加水?dāng)嚢?，單料可以保? h 左右良好流動(dòng)性，滿足遠(yuǎn)距離泵送施工需求。

（2）甲、乙漿液在孔口通過(guò)三通混合器混合，混合后在30～120 s 之內(nèi)失去流動(dòng)性，可以有效避免漏漿引起的注漿失敗，5～15 min 完全固結(jié)，可以通過(guò)調(diào)整水灰比控制凝結(jié)時(shí)間。

（3）混合漿液在固結(jié)后強(qiáng)度快速增長(zhǎng)，2 h 即具備5～10 MPa 強(qiáng)度，1 d 達(dá)到8～18 MPa 強(qiáng)度，使注漿固結(jié)體快速起到承載作用。

不同水灰比條件下材料強(qiáng)度如表1 所示。

表1 不同水灰比條件材料強(qiáng)度參數(shù)表

3.4 鉆孔布置參數(shù)

（1）布孔方式

采用從工作面煤壁布置注漿鉆孔的方式。鉆孔布置圖如圖3 所示。

圖3 注漿鉆孔布置圖

（2）鉆孔位置

前2 個(gè)循環(huán)，注漿孔位置以頂板為基準(zhǔn)，距離頂板1 m 左右。后續(xù)循環(huán)，注漿孔均在工作面架頂梁與工作面煤體的接觸角處布置。

（3）注漿孔長(zhǎng)度

鉆孔深度3 m，每天一個(gè)注漿循環(huán)。

（4）鉆孔傾角

鉆孔傾角上仰15°。

（5）鉆孔間距

考慮滲透半徑及串孔現(xiàn)象，取一架支架的寬度，即1.5 m。

3.5 注漿工藝參數(shù)

（1）封孔

采用800 mm 孔口管連接鋁塑射漿管注漿。即在孔口800 mm 范圍內(nèi)，插入1 節(jié)800 mm 長(zhǎng)DN25 的無(wú)縫鋼管，鋼管表面焊鐵絲固定棉紗。封孔時(shí)將棉紗浸泡雙液漿，纏裹到鋼管上，纏裹長(zhǎng)度800 mm?？刹捎勉@機(jī)頂入孔內(nèi)，在孔內(nèi)插入封孔鋁塑管（1618型鋁塑管），鋁塑管1200～1500 mm 即可。最后向封孔段灌注入雙液漿，可快速固化，1 h后即可進(jìn)行注漿。

（2）注漿壓力

終孔注漿壓力10～15 MPa。在實(shí)際注漿過(guò)程中，如果巖層裂隙不發(fā)育，注漿難度較大時(shí)，可適當(dāng)提高終孔壓力，最高不超過(guò)20 MPa。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

（1）漿液擴(kuò)散效果

現(xiàn)場(chǎng)注漿完畢后，采用鉆孔窺視儀對(duì)注漿效果進(jìn)行窺視，漿液擴(kuò)散效果較好，可見(jiàn)大量注漿漿液痕跡。鉆孔窺視漿液擴(kuò)散效果如圖4 所示。

圖4 漿液擴(kuò)散效果窺視圖

（2）片幫冒頂統(tǒng)計(jì)分析

2019 年5 月2 日—2019 年6 月5 日，工 作 面過(guò)斷層期間共發(fā)生6 次輕微片幫，片幫深度不超過(guò)0.5 m，連續(xù)架次不超過(guò)2 架，未發(fā)生冒頂現(xiàn)象，工作面平均推進(jìn)速度2 m/d，實(shí)現(xiàn)了安全回采。

（3）經(jīng)濟(jì)效益分析

過(guò)斷層期間共消耗無(wú)機(jī)注漿材料120 t，單價(jià)按2000 元/t，成本為24 萬(wàn)。若采用化學(xué)漿注漿，成本為300 萬(wàn)。無(wú)機(jī)注漿材料不足化學(xué)漿成本的1/8，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

5 結(jié) 論

（1）擇低成本、高強(qiáng)度結(jié)石體的注漿漿液、合理的注漿區(qū)域，不僅可以提高加固效果，且經(jīng)濟(jì)效益顯著，經(jīng)濟(jì)成本不足化學(xué)漿的1/8。

（2）采用新型無(wú)機(jī)注漿材料，漿液流動(dòng)性、膠結(jié)性好，不僅使破碎圍巖恢復(fù)為具有完整結(jié)構(gòu)的連續(xù)體，且具有較高的強(qiáng)度，滿足了現(xiàn)場(chǎng)注漿加固需求，取得了較好的圍巖加固效果。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果表明，鉆孔窺視可見(jiàn)大量漿液痕跡，漿液擴(kuò)散效果較好。