注漿加固技術(shù)在綜采工作面過斷層中的應(yīng)用

龐 威

（晉能控股煤業(yè)集團白洞礦業(yè)公司，山西 大同 037031）

斷層是采掘過程中常見的地質(zhì)構(gòu)造，斷層侵入后會造成斷層區(qū)圍巖破碎、斷裂，當工作面回采至斷層區(qū)時很容易出現(xiàn)頂板破碎垮落、煤壁大面積片幫等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，增加了工作面回采難度，降低了回采安全系數(shù)，因此對斷層區(qū)圍巖采取合理有效控制技術(shù)，對工作面安全回采具有重要意義。本文以白洞礦8114 工作面為研究對象，對工作面過斷層期間提出了以注漿加固為主、錨索梁棚支護為輔的綜合圍巖控制技術(shù)[1-5]。

1 概況

晉能控股煤業(yè)集團白洞礦業(yè)公司8114 工作面位于301 盤區(qū)南部左翼的最北部。工作面東部為井田邊界，西部為盤區(qū)的皮帶、材料、回風(fēng)巷，南部為實煤區(qū)，北部為301 盤區(qū)東部的皮帶、軌道及回風(fēng)巷。8114 工作面設(shè)計走向長度為1316 m，傾向長度為151 m，工作面回采煤層為石炭系3#煤層，平均厚度為9.05 m，平均傾角為3°，煤層普遍有3～8 層夾石，夾石厚一般為0.10～0.30 m，夾石斷斷續(xù)續(xù)，不穩(wěn)定。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 8114 工作面3#煤層頂?shù)装鍘r性匯總表

8114 工作面回采至840 m 處在機頭處揭露F8正斷層，斷層落差為2.4 m，傾角為52°。隨著工作面不斷推進，斷層從機頭處揭露并向工作面中部延伸，斷層影響工作面傾向長度為42 m，影響走向長度為64 m。工作面揭露斷層后，受應(yīng)力影響，工作面頂板及煤壁出現(xiàn)嚴重破碎現(xiàn)象。

2 斷層區(qū)圍巖控制技術(shù)

為了防止工作面在過斷層期間出現(xiàn)頂板垮落、煤壁大面積片幫等事故，保證工作面安全快速過斷層區(qū)，決定對斷層區(qū)圍巖采取注漿加固為主、錨索梁棚為輔的聯(lián)合控制技術(shù)。

2.1 注漿加固

通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，斷層侵入后導(dǎo)致斷層區(qū)煤體出現(xiàn)嚴重硅化現(xiàn)象，煤巖體呈嚴重破碎狀。通過對斷層區(qū)煤巖體采取單軸抗壓試驗發(fā)現(xiàn)，硅化煤體單軸抗壓強度不足10 MPa。為了提高煤巖體整體穩(wěn)定性及抗壓強度，可采用注漿法進行加固。

2.1.1 注漿加固原理

注漿加固主要通過對破碎圍巖體內(nèi)施工注漿鉆孔，然后在鉆孔內(nèi)安裝注漿管，通過專用注漿泵高壓將注漿液壓入鉆孔內(nèi)。注漿液具有很強的流動性，注漿液在高壓作用下滲透至巖體裂隙帶內(nèi)，漿液凝固后對裂隙巖體主要有三方面作用：一是注漿凝固體對裂隙巖體進行填充封堵，防止應(yīng)力在裂隙內(nèi)產(chǎn)生卸壓破壞作用及風(fēng)化作用；二是注漿液凝固時對沙粒狀煤巖體進行粘接固化，進行二次重組，提高破碎巖體整體承載能力；三是注漿液凝固體具有很強的抗壓強度以及很好的韌性，從而提高圍巖抗載荷能力。

2.1.2 注漿鉆孔布置參數(shù)

8114 工作面在過斷層期間，煤壁片幫量遠遠超過頂板破碎垮落量，頂板破碎主要是由于煤壁片幫導(dǎo)致端面距加大，當支架支護不及時或端面維護不到位時，很容易出現(xiàn)頂板垮落、冒漏事故，所以決定對煤壁布置注漿仰斜孔。

（1）注漿鉆孔采用手持式鉆機配套長1.2 m、直徑為22 mm 的麻花鉆桿以及直徑為42 mm 的“八”字型合金鋼鉆頭進行施工。

（2）注漿鉆孔布置在工作面煤壁上，鉆孔開孔位置距頂板距離為1.2 m，鉆孔仰角為45°，鉆孔深度為5.0 m，鉆孔終孔位置位于工作面頂板往上1.5 m 處，注漿鉆孔布置間距為3.0 m，如圖1。

圖1 8114 工作面斷層區(qū)圍巖聯(lián)合控制技術(shù)（mm）

（3）由于8114 工作面揭露的F8 斷層從機頭處揭露，為了防止機頭三角區(qū)域煤柱出現(xiàn)垮落，在運輸順槽側(cè)煤壁依次施工一排注漿鉆孔，鉆孔參數(shù)與工作面注漿參數(shù)相同。

2.1.3 注漿工序

（1）為了不影響工作面正?；夭?，鉆孔施工、注漿等工序在檢修班施工。注漿施工順序為：鉆孔施工→安裝注漿軟管→連接注漿泵→鉆孔封孔→開泵注漿。

（2）注漿液采用聚氨酯漿液，注漿施工時施工人員應(yīng)站在上風(fēng)側(cè)，注漿時先高壓將注漿液安全滲透至圍巖裂隙內(nèi)，然后采用低壓注入使?jié){液在裂隙內(nèi)逐漸滲入。

（3）在注漿施工時為了防止注漿返漿現(xiàn)象，在注漿口處應(yīng)安裝返漿裝置和卸壓裝置，注漿期間一旦出現(xiàn)煤壁有漿液滲透時立即停止注漿。正常情況下單孔注漿量不得低于30 kg，注漿時間控制在15～20 min 范圍內(nèi)。

2.2 錨索梁棚施工

注漿加固后雖然可提高斷層區(qū)裂隙巖體穩(wěn)定性，但是當工作面局部出現(xiàn)片幫、端面距加大時，若不及時進行控制維護，同樣會出現(xiàn)頂板垮落事故，所以對8114 工作面局部頂板采取錨索梁棚支護。

（1）錨索梁棚支護主要施工在端面距大于1.5 m 的煤巖膠結(jié)區(qū)，傳統(tǒng)錨索梁棚主要采用工字鋼梁與錨索配套施工。工字鋼錨索吊棚在施工中存在一些缺點，主要表現(xiàn)在以下幾方面：工字鋼錨索吊棚重量大，施工時勞動作業(yè)強度高；工字鋼錨索吊棚成本費用高；工字鋼錨索吊棚施工后很容易對頂板產(chǎn)生切頂作用，導(dǎo)致頂板二次破壞。因此，8114 工作面決定采用JW 型鋼梁配套錨索進行施工。

（2）JW 型鋼梁寬0.32 m，厚度為6 mm，為了便于施工，每根JW 型鋼梁長度為2.5 m，鋼梁上布置兩個錨索支護孔，孔間距為2.0 m。為了便于工作面回采后直接頂能夠及時且全部垮落，根據(jù)8114 工作面直接頂厚度為4.95 m，確定錨索長度為4.5 m，直徑為17.8 mm。

（3）錨索梁棚施工時JW 型鋼梁布置與支架頂梁平行，當施工區(qū)域頂板凹凸不平吊棚施工后無法接頂時，應(yīng)對鋼梁與頂板之間填塞剎頂木背牢，錨索吊棚布置間排距為1.0 m，兩排錨索吊棚采用邁步式布置。

3 應(yīng)用效果

至2021 年4 月8114 工作面已回采至920 m 處，工作面已完全通過了F8斷層區(qū)。對斷層區(qū)采取注漿、錨索梁棚聯(lián)合支護后，通過現(xiàn)場觀察、單軸抗壓試驗以及圍巖監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合支護后達到了預(yù)期圍巖控制效果。

（1）圍巖觀察。通過現(xiàn)場觀察圍巖支護前后對比，工作面在過斷層前期圍巖破碎嚴重，煤壁片幫嚴重，煤體破碎成沙粒狀，設(shè)計割煤深度為0.8 m，實際回采時割煤后工作面回采深度達1.8 m。而采取聯(lián)合控制技術(shù)后，斷層區(qū)煤巖體膠結(jié)穩(wěn)定，煤巖體最小粒徑0.3 m，割煤后深度控制較好。

（2）單軸抗壓試驗。為了驗證支護前后斷層區(qū)圍巖強度，分別在回采前期以及加固支護后取煤巖樣，進行單軸抗壓試驗。試驗結(jié)果表明，加固前斷層區(qū)煤巖體施加10 MPa 壓力后，巖體已成破碎狀，當壓力增加至15 MPa 時巖體成細沙狀；而加固后的巖體進行抗壓試驗時，當施加壓力達28 MPa時巖體開始出現(xiàn)斷裂，當壓力增加至42 MPa 時巖體出現(xiàn)破碎。支護后巖體單軸抗壓強度提高了2 倍以上。

（3）圍巖監(jiān)測。工作面過斷層期間分別在850 m 以及870 m 安裝頂板圍巖監(jiān)測儀以及煤壁片幫監(jiān)測儀，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在850 m 處未采取聯(lián)合支護措施時頂板下沉量達0.47 m，煤壁最大片幫深度達1.7 m；而在870 m 處采取聯(lián)合支護措施，頂板下沉量控制為0.15 m，煤壁最大片幫深度為0.5 m。

4 結(jié)語

（1）通過對工作面斷層區(qū)圍巖采取注漿加固，漿液完全滲透至圍巖裂隙內(nèi)，對破碎圍巖起到很好的粘接作用，有效提高了破碎圍巖單軸抗壓強度以及承載能力。

（2）對端面破碎頂板施工錨索梁棚能夠提高端面頂板穩(wěn)定性，防止因端面距加大造成頂板冒漏，在端面破碎頂板施工錨索梁棚可以保證支架工作阻力，防止支架頂梁鏤空出現(xiàn)倒架現(xiàn)象。