綜放工作面過斷層注漿加固技術(shù)

田鵬飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)朔煤小峪煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

由于地質(zhì)作用影響，斷層附近煤巖體強(qiáng)度一般相對較低，工作面煤壁、頂板煤巖體極易破壞而失穩(wěn)，進(jìn)而誘發(fā)片幫、冒頂?shù)仁鹿?，影響工作面生產(chǎn)，嚴(yán)重的甚至?xí)斐扇藛T傷亡。工作面過斷層時通常使用化學(xué)漿液和無機(jī)材料漿液注漿技術(shù)對斷層處破碎圍巖進(jìn)行加固。化學(xué)漿液雖然在加固圍巖性能方面更具優(yōu)勢，但使用成本較高，且會污染地下水資源，危害礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。無機(jī)材料漿液性能雖然略差，但其使用成本更低，且更為環(huán)保，因而在注漿工程中被廣泛使用[1-3]。本文以小峪煤礦8102 工作面過斷層為工程背景，介紹了該礦在工作面過斷層期間采用的注漿加固技術(shù)措施，可以為其它礦井類似工作面提供借鑒。

1 工程概況

8102 工作面位于22#煤層402 盤區(qū)，煤層賦存較為穩(wěn)定，變化較小，煤層厚度9.2～10.2 m，平均厚度9.7 m，煤層頂?shù)装迩闆r見表1。煤層走向127°，傾向北東，傾角3°。工作面傾斜長210 m，走向長為1 255 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)，采高為3.0 m，放煤高度為6.7 m，采放比為1:2.2。工作面標(biāo)高+1 050～+1 055 m，對應(yīng)地面標(biāo)高+1 365～+1 294 m，對應(yīng)地表位于南嶺梢南部，車道溝與東溝之間,蓋山厚度約312 m。工作面北部為與山西煤運(yùn)東溝煤業(yè)公司間的礦界煤柱，南部為8204 采空區(qū)，西部為402 盤區(qū)輔助運(yùn)輸巷及輔助回風(fēng)巷，東部為礦界煤柱。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

8102 工作面運(yùn)輸巷道掘進(jìn)期間揭露一正斷層F280。利用槽波探測及鉆探技術(shù)對斷層分布進(jìn)行探測，斷層展布見圖1。F280斷層傾角58°，落差達(dá)0～3 m，主要在工作面回采至150～350 m 范圍產(chǎn)生影響。由于斷層落差小于工作面采高，因此現(xiàn)場決定采用硬推方式過斷層。

圖1 8102 工作面F280 斷層位置

2 注漿鉆孔設(shè)計

根據(jù)F280斷層在8102 工作面的分布情況，確定在工作面回采至150～350 m 范圍內(nèi)對斷層處的圍巖進(jìn)行注漿加固。為減少對工作面回采的影響，選擇在8102 工作面回風(fēng)巷巷幫位置布置注漿鉆孔。為最大程度地利用鉆孔，加強(qiáng)注漿效率，選擇“三花眼”的鉆孔布置方式，鉆孔間距為10 m，排距為0.9 m，下排鉆孔距離巷道頂板2.0 m，上排鉆孔距離巷道底板2.0 m。為最大程度使?jié){液擴(kuò)散至工作面煤壁及頂板位置，根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，注漿鉆孔的終孔位置應(yīng)位于綜放面采煤機(jī)割煤高度范圍內(nèi)，鉆孔應(yīng)進(jìn)入斷層下盤8 m 位置。鉆孔孔徑為75 mm，孔深50.0～78.0 m。鉆孔布置見圖2。

圖2 注漿鉆孔布置

3 注漿材料及注漿時間

3.1 注漿材料選擇

為降低注漿成本，同時減少對環(huán)境造成的污染，決定采用無機(jī)材料漿液作為本次注漿材料。由于加固后圍巖將受到回采形成的超前支承壓力的影響，因此，注漿材料的和漿液性能應(yīng)滿足以下三個方面的要求。

第一，要具有較好的流動性。由于注漿鉆孔長度加大，可達(dá)50～78 m，因此必須保證漿液具有較好的流動性，使?jié){液可以順利到達(dá)加固位置而不發(fā)生堵塞等問題。同時，注漿過程還應(yīng)確保漿液不發(fā)生泌水問題。

第二，應(yīng)具有良好的滲透性。由于預(yù)注漿位置一般遠(yuǎn)離回采工作面，該位置處的煤巖體受超前支承壓力影響較小。因此，該位置處的煤巖裂隙并不發(fā)育，多以原生節(jié)理裂隙為主。為保證漿液充分進(jìn)入煤巖體內(nèi)眾多的微裂隙，注漿材料應(yīng)為超細(xì)顆粒構(gòu)成的懸浮液，并采用高壓完成注漿，使得漿液可以深入煤巖體內(nèi)的微裂隙。

第三，應(yīng)具有早強(qiáng)特性。該工作面為大采高綜放工作面，煤壁本身穩(wěn)定性較差。因此，漿液在固化后必須具有早強(qiáng)特性，工作面到達(dá)斷層時，加固后的煤巖體即具備較高的強(qiáng)度而不至于在超前支承壓力作用下發(fā)生較大程度的破壞，導(dǎo)致片幫事故的發(fā)生。

根據(jù)上述要求，確定采用公司自研的聯(lián)邦加固高性能注漿材料，主要成分為單液超細(xì)水泥，細(xì)度可達(dá)1 500 目，以0.8:1 水灰比配制為漿液。該材料具備良好流動性，漿液在1 h內(nèi)不發(fā)生泌水現(xiàn)象，2～3 h失去流動性，10 h達(dá)到完全固化效果。固結(jié)體1 d單向抗壓強(qiáng)度約18 MPa，3 d強(qiáng)度約25 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，約35 MPa。

3.2 注漿時機(jī)及參數(shù)

由于斷層處圍巖較為破碎，而聯(lián)邦加固高性能注漿材料失流時間較長，難以堵漏。為避免注漿過程中發(fā)生漏漿，采用雙液注漿材料對淺層圍巖進(jìn)行預(yù)先堵漏，雙液材料成分主要為兩種無機(jī)礦粉，以0.9:1 水灰比配制漿液后，可以在短時間內(nèi)（2～5 min）失去流動性，20 min后基本硬化，2 h強(qiáng)度可達(dá)7 MPa。因此，注漿之前應(yīng)使用該材料對破碎圍巖進(jìn)行前期加固，在鉆孔淺部形成止?jié){層，防止深部漿液注入時從圍巖淺部流失。淺層注漿時壓力應(yīng)控制在3～8 MPa。

受工作面超前支承壓力分布影響，距煤壁不同距離處的煤巖體裂隙發(fā)育水平差異較大?，F(xiàn)場鉆孔窺視表明：煤壁前方0～20 m 處煤巖裂隙較為發(fā)育，可注漿量較大，但由于距離工作面較近，會產(chǎn)生一定程度的漏漿問題；而距煤壁距離大于55 m 處的煤巖體受支承壓力影響較小，裂隙不發(fā)育，注漿量較小。因此，結(jié)合8102 工作面推進(jìn)速度以及聯(lián)邦加固高性能注漿材料達(dá)到峰值強(qiáng)度所需時間，確定在工作面距離斷層45 m 位置處開始注漿。注漿壓力應(yīng)達(dá)到25～30 MPa，以使?jié){液可以劈裂微小的原生裂隙而注入煤巖體內(nèi)部。

4 注漿效果

為進(jìn)一步檢驗斷層圍巖注漿加固效果，對8102 綜放工作面過斷層期間的推進(jìn)速度進(jìn)行統(tǒng)計。根據(jù)統(tǒng)計工作面推進(jìn)速度數(shù)據(jù)，可以將過斷層過程劃分為五個階段，見圖3。8102 工作面正常回采階段，推進(jìn)速度為3 m/d。當(dāng)工作面接近斷層時，推進(jìn)速度逐漸降低，此時，工作面推進(jìn)速度約為1.36 m/d。當(dāng)機(jī)尾揭露斷層時，工作面推進(jìn)速度進(jìn)一步降低，約為1.18 m/d。當(dāng)機(jī)尾大部分進(jìn)入斷層區(qū)域時，工作面共出現(xiàn)3 次煤壁片幫、1 次頂板冒漏事故，此時，推進(jìn)速度為0.88 m/d。當(dāng)推進(jìn)至注漿區(qū)域后，工作面未發(fā)生頂板冒漏事故，但發(fā)生2次煤壁片幫事故，片幫深度最大約為0.3 m，范圍小于3 臺支架，工作面推進(jìn)速度逐漸增加至1.35 m/d。通過斷層后，工作面推進(jìn)速度恢復(fù)至正常回采水平。

圖3 8102 工作面過斷層期間推進(jìn)速度

5 結(jié)語

根據(jù)斷層區(qū)域特點(diǎn)，提出了采用雙液注漿材料進(jìn)行淺層堵漏，使用高性能單液注漿材料進(jìn)行深孔注漿，減少了漏液，增強(qiáng)了注漿加固效果。根據(jù)8102工作面推進(jìn)速度以及聯(lián)邦加固高性能注漿材料達(dá)到峰值強(qiáng)度所需時間，并結(jié)合工作面前方煤體裂隙發(fā)育情況，確定在工作面前方45 m 開始進(jìn)行注漿。通過實施注漿加固技術(shù)，有效降低了綜放工作面過斷層期間煤壁片幫、頂板冒漏等事故的發(fā)生頻率，確保了綜放工作面安全高效生產(chǎn)。