工作面斷層帶靜動壓分步耦合預注漿加固技術(shù)研究

王 波，張海峰，楊張杰，張敦喜，余大軍

(1.安徽省煤炭科學研究院，安徽 合肥 230001；2.內(nèi)蒙古仲泰能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司煤業(yè)分公司，安徽 淮南 232087)

0 引 言

斷層是地殼受力發(fā)生斷裂，沿破裂面兩側(cè)巖塊發(fā)生顯著相對位移的地質(zhì)構(gòu)造[1-3]。斷層附近應力分布復雜且集中，區(qū)域內(nèi)煤巖體多表現(xiàn)出裂隙多，破碎度高，完整性差，強度低等特點[4-8]。我國淮南礦區(qū)地質(zhì)條件復雜，工作面內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育。開采過程中，工作面推進至斷層區(qū)域前，多會導致斷層活化[9]，斷層附近應力將重新分布。采動及活化的耦合作用產(chǎn)生的高應力致使工作面內(nèi)斷層煤巖體的強度進一步弱化，頂板及煤體破碎，煤壁支撐能力降低，工作面過斷層時頂板及煤壁維護變得極為困難，頂板壓架及冒落傷人等事故頻發(fā)。

國內(nèi)外專家對斷層也有較為深入的研究，主要側(cè)重于斷層破碎帶巷道的支護與淺部圍巖注漿加固等方面。蔣康前等[10]在總結(jié)穿斷層破碎帶軟巖巷道圍巖破壞特征的基礎(chǔ)上，提出了巷道圍巖加固的耦合支護技術(shù)方案，有效解決了劉莊煤礦深井軟巖巷道穿斷層破碎帶施工圍巖穩(wěn)定控制難題。徐升等[11]針對淮南顧橋煤礦南翼帶式輸送機大巷穿過斷層地質(zhì)異常區(qū)的問題，通過超前注漿加固、壁后注漿和底板注漿等措施，有效地控制了圍巖變形，保證了巷道施工安全。但是，目前煤礦工作面斷層帶的整體治理研究還比較有限。工作面開采期間，除遇大斷層采取提前收作或規(guī)避措施(造成煤炭資源大量浪費)外，多數(shù)斷層都要強行通過，主要采取提前飄車或剎車的被動方式，以最短破頂或破底的回采距離逮住上盤或下盤的頂板，在斷層的揭露處采取支架少降快拉、及時支護頂板等工藝或者在斷層揭露后進行淺部圍巖注漿來加固局部巖體[12-14]。工作面內(nèi)斷層加固采取方法主要是在工作面推進至斷層破碎帶位置待斷層揭露后，在工作面內(nèi)對頂板及煤壁進行臨時的支柱支護和淺孔注射化學漿液加固。其中，支柱支護控頂距離短，無法加固破碎圍巖，施工效果和安全性不理想；淺孔化學注漿加固成本高，且注漿距離短、加固范圍小，主要針對5～10 m淺部圍巖，無法實現(xiàn)大范圍整體加固斷層破碎帶的目的。此類方法對斷層治理來講均是局部的、滯后的被動方式，無法實現(xiàn)超前預先治理斷層；而且上述方法多數(shù)情況下要求在工作面停止工作的情況進行，嚴重影響了工作面單產(chǎn)，無法保證工作面連續(xù)性推進。工作面如何快速過斷層連續(xù)化回采是制約礦井安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效的重大技術(shù)難題。

潘光明等[15]提出隧道深部圍巖薄弱區(qū)定域控制注漿技術(shù)，實現(xiàn)了對斷層處隧道注漿帷幕深部薄弱區(qū)的注漿治理；韓玉明等[16]提出的超前工作面巷道預注漿加固技術(shù)解決了綜采工作面停采線附近回風巷受強采動影響圍巖控制難題。上述及現(xiàn)有預注漿技術(shù)研究加固對象主要是針對巷道淺部圍巖，注漿工藝也屬于短距離低壓注漿范疇，但也為工作面內(nèi)斷層帶治理提供了研究方向。筆者認為，以工作面推進過程中斷層帶圍巖應力和裂隙發(fā)育的分布特征與動態(tài)演化規(guī)律為指導，形成多級布孔、分步注漿的斷層帶預注漿加固關(guān)鍵技術(shù)，在工作面進入斷層帶影響區(qū)之前，可預先完成對斷層帶的加固治理。技術(shù)研究可實現(xiàn)“工作面內(nèi)揭露斷層后臨時局部被動加固”傳統(tǒng)方法到“超前工作面主動治理斷層”的思路轉(zhuǎn)變，對實現(xiàn)工作面連續(xù)化高效回采具有重大的現(xiàn)實意義。

1 工作面斷層活化與裂隙發(fā)育演化規(guī)律

1.1 模型構(gòu)建

為了解工作面斷層在受開采影響下裂隙發(fā)育演化規(guī)律，進而確定分步耦合預注漿的最佳時機，選用通用離散元程序UDEC對典型試驗點朱集礦1122(3)工作面斷層活化過程進行模擬分析。該工作面地面標高+22.1～+23.5 m，工作面標高-848.3～-887.1 m，走向長1 858～1 870 m，平均1 864 m，傾斜長235 m。主采煤層13-1煤厚度為0～5.2 m，平均4.0 m。局部含有一層厚0.2～0.3 m的夾矸，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤層穩(wěn)定，為近水平煤層。煤層直接頂巖性主要為泥巖、細砂巖，厚度為2.5～5.5 m，平均4 m。模擬區(qū)域3號異常區(qū)發(fā)育有DF112-8-1(傾角54°，H=4 m)、DF112(傾角78°，落差H=4 m)2條較大斷層。根據(jù)煤層頂?shù)装鍘r性及斷層分布實際情況對巖層力學參數(shù)(表1)賦值并建模如圖1所示。根據(jù)開采條件，模擬計算范圍確定為：地層上邊界為水平23 m處，下邊界-887 m處。模型寬660 m，高130 m，自頂而下共設(shè)13分層；左右各預留50 m應力邊界；模型側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面限制水平移動，底部限制垂直位移，上方為自由邊界；圍巖破壞遵循Mohr-Coulomb強度準則，模型上部邊界面施加上層地層巖石自重應力，側(cè)壓系數(shù)取1.2。

表1 煤巖力學參數(shù) Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

圖1 構(gòu)建模型Fig.1 The built mode

1.2 斷層附近原巖應力分布

斷層構(gòu)造帶區(qū)域應力分布特征是工作面斷層圍巖控制的環(huán)境基礎(chǔ)。在未受煤層開采影響條件下，從原巖應力分布來看(圖2)，斷層附近圍巖應力分布整體處于一個較高水平；斷層區(qū)頂?shù)装宕嬖谝欢ǚ秶膶严?。同等條件下傾角相對較小的DF112-8-1斷層在斷層面發(fā)生剪切滑移更為明顯，在尖滅處塑性區(qū)發(fā)育更為顯著，也更容易形成高應力集中區(qū)(應力集中系數(shù)1.3～1.4)。斷層形成過程中，高應力環(huán)境下產(chǎn)生的弱面和原生裂隙的存在使得在靜壓條件斷層活化之前對斷層區(qū)進行預注漿變?yōu)榭赡堋?/p>

圖2 斷層區(qū)原巖應力狀態(tài)Fig.2 Stress state of original rock in fault area

1.3 斷層活化過程與裂隙發(fā)育演化規(guī)律分析

工作面圍巖裂隙主要有2個來源：①開挖前巖體中已存在的弱面，②巷道開挖及工程擾動(采動)產(chǎn)生的新裂隙[17-20]。隨著工作面的不斷推進，伴隨頂板的周期性垮落及上部巖層的彎曲下沉，工作面超前支承應力隨開采不斷前移，超前工作面位置的圍巖發(fā)生變形，煤巖體內(nèi)部節(jié)理及裂隙不斷發(fā)育擴展。在鄰近斷層區(qū)域時，工作面前方巖體塑性區(qū)和新生裂隙也會與斷層導通，使得斷層活化，這將對斷層區(qū)工作面頂板垮落形式、垮落步距、垮落后穩(wěn)定時間及斷層節(jié)理、裂隙發(fā)育情況會產(chǎn)生顯著影響。下面結(jié)合推采過程中圍巖節(jié)理裂隙分布演化模擬情況做相關(guān)分析。

由斷層活化過程中圍巖裂隙演化分布如圖3a～3c所示，工作面自開切眼位置推進在未到達斷層區(qū)域的過程中，頂板周期性垮落及上部巖層彎曲下沉，超前支承應力隨工作面不斷前移，超前工作面位置的圍巖發(fā)生變形，煤巖體內(nèi)部節(jié)理及裂隙不斷發(fā)育擴展。頂板以上20 m及底板巖層內(nèi)均有新的節(jié)理裂隙產(chǎn)生。超前影響距離25 m范圍內(nèi)本開挖層及頂板層巖體有滑動和剪切變形。

由圖3b～3c可以看出，工作面距離斷層30～50 m時，采動影響下斷層開始活化，即斷層兩盤位移的連續(xù)性和變形的協(xié)調(diào)性受到破壞，兩盤的巖體沿斷層面發(fā)生相對位移。該過程中斷層上下盤發(fā)生了沿斷層面的剪切滑移運動；因斷層兩盤位移產(chǎn)生一定差異，使得斷層錯動。斷層附近圍巖在斷層形成穩(wěn)定后出現(xiàn)2次擾動。伴隨開采超前影響距離加大與推進，工作面上方巖層塑性區(qū)及新生裂隙開始逐漸導通斷層。由圖3e工作面進入斷層區(qū)10 m，距離左側(cè)斷層50 m時，左側(cè)斷層即被開始活化，斷層附近圍巖應力釋放。可見工作面開采超前支承壓力超前影響距離明顯加大。由圖3f進入斷層區(qū)30 m(至兩斷層中段)時，頂板跨落，跨落步距小于30 m。

圖3 斷層活化過程中圍巖裂隙演化分布Fig.3 Evolution and distribution of surrounding rock fracture in process of fault activation

由圖3a～圖3d與圖3e～圖3g開挖過程對比可以看出，工作面過非斷層區(qū)和斷層區(qū)頂板的垮落步距和垮落形式存在明顯差異：工作面過非斷層區(qū)60 m左右范圍內(nèi)頂板表現(xiàn)出整體彎曲下沉跨落特征，而工作面過斷層時，斷層區(qū)30 m小范圍內(nèi)局部頂板則沿著節(jié)理裂隙面逐段冒落。由圖3h可推斷，工作面推過斷層區(qū)130 m后，斷層附近巖層跨落下沉基本穩(wěn)定。

結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果及現(xiàn)場回采實際礦壓顯現(xiàn)情況可確定：① 當工作面推進至距離斷層加固區(qū)不小于300 m時，可滿足設(shè)備材料進場、鉆孔、注漿連續(xù)施工的時間要求；此時可邊鉆孔邊注漿，對斷層構(gòu)造帶原生裂隙進行第1次靜壓注漿；② 在工作面距離斷層加固區(qū)30～50 m時采動影響會致使斷層活化，再生裂隙發(fā)育，可通過預置的注漿孔針對斷層構(gòu)造帶新生裂隙進行2次動壓補注漿，改善斷層破碎帶圍巖完整性。

2 靜動壓分步耦合分級布孔預注漿加固技術(shù)

根據(jù)斷層發(fā)育分布和現(xiàn)場施工條件，可采取區(qū)段平巷平行分級布孔或(本位、高位)鉆場扇形集中布孔方式排布鉆孔覆蓋斷層加固區(qū)，巷道內(nèi)及本(高)位鉆場注漿孔布置剖面如圖4所示。

圖4 鉆孔布置方式示意Fig.4 Schematic diagram of drilling layout

當工作面推進至距離斷層異常帶300～400 m時，通過帷幕、淺孔、中深孔進行第1次工作面靜壓注漿，邊鉆孔邊下管邊注漿；當工作面推進至距離斷層異常帶30～50 m時，通過靜壓注漿時預留下的深孔注漿管進行工作面動壓2次補注漿。

2.1 靜動壓分步耦合注漿孔設(shè)計

2.1.1區(qū)段平巷內(nèi)平行孔并排布置方式

采用靜壓條件下帷幕止?jié){層注漿、淺孔注漿、中深孔注漿及動壓條件下預留深孔注漿4級遞進式注漿工藝。

1)帷幕止?jié){層注漿。作用：加固斷層異常區(qū)工作面巷道側(cè)幫煤體，同時在圍巖表層形成封閉帷幕。設(shè)計：沿工作面推進方向，在斷層影響范圍內(nèi)實體煤巷幫施工水平鉆孔(五花型布置，如圖5所示)，鉆孔孔徑?42 mm，孔深3～4 m，采用4分鋼管注射水泥砂漿或者化學漿，注漿加固深度0～6 m。若用無機充填加固材料，注漿壓力5～8 MPa；若注化學漿，注漿壓力1～2 MPa。

圖5 帷幕注漿孔布置示意Fig.5 Layout of curtain grouting holes

2)淺孔注漿。沿工作面推進方向，在斷層影響范圍內(nèi)實體煤巷幫施工淺孔(圖6)，孔徑?73 mm或?94 mm或?113 mm，開孔高度距巷道底板0.8～1.5 m，孔深30～35 m，終孔位置位于煤巖交界面以上2～3 m，孔間距8～10 m；注漿加固深度6～50 m，注漿壓力5～15 MPa。

3)中深孔注漿。淺孔注漿完畢后，沿工作面推進方向，在斷層影響范圍內(nèi)實體煤巷幫施工中深孔(圖6)，孔徑?73 mm或?94 mm或?113 mm，開孔高度距巷道底板0.8～1.5 m，孔深70～80 m，終孔位置位于煤巖交界面以上2～3 m，孔間距8～10 m；注漿加固范圍50～90 m，注漿壓力5～15 MPa。

4)預留深孔注漿。中深孔注漿完畢后，沿工作面推進方向，在斷層影響范圍內(nèi)實體煤巷幫施工預留深孔(圖6)，孔徑?73 mm或?94 mm或?113 mm，開孔高度距巷道底板0.8～1.5 m，孔深100～120 m，終孔位置位于煤巖交界面以上2～3 m，孔間距8～10 m；注漿加固范圍90～130 m，注漿壓力5～15 MPa。

圖6 區(qū)段平巷內(nèi)分級注漿孔布置示意Fig.6 Layout of graded grouting hole in section drift

2.1.2鉆場內(nèi)扇形孔集中布置方式

1)可參照平行孔布置方式中帷幕注漿鉆孔設(shè)計參數(shù)在鉆場內(nèi)及鉆場周邊5～10 m進行帷幕注漿。

2)淺孔、中深孔、預留深孔開孔位置間距以0.8～1.5 m為宜，孔徑直徑為?73 mm或?94 mm或?113 mm；開孔高度距巷道底板1.5 m。

3)根據(jù)斷層走向、傾向變化及鉆孔設(shè)計要求，逐步調(diào)整鉆孔角度和深度完成淺孔、中深孔、預留深孔的定向施工，實現(xiàn)鉆孔對斷層及影響區(qū)的覆蓋。各類鉆孔的終孔位置位于斷層面上方2～3 m，并穿過斷層面3～5 m。

4)為防止注漿時串孔漏漿，淺孔施工注漿完畢后再施工中深孔，中深孔施工注漿完畢后再施工深孔或采取鉆一注一。

2.2 鉆孔與注漿機具的設(shè)計與選配

2.2.1淺部圍巖帷幕注漿

步驟1中，帷幕注漿孔選用幫機施工，鉆孔直徑為?42 mm；選用無機復合注漿材料(采用風動注漿泵型號：2ZBQ-30/3，注漿壓力5～8 MPa)或化學漿液(注漿泵型號：2ZBQS-11/15，注漿壓力3～15 MPa)注漿。

2.2.2深部圍巖定向孔注漿

步驟1～4淺孔、中深孔及預留深孔均采用地質(zhì)鉆機施工。

斷層深部預注漿時，注漿壓力大，輸送距離遠，漿液輸送量大，對注漿機具的有特殊要求。因此提出了注漿設(shè)備機具設(shè)計選配“四匹配”原則：①注漿泵額定功率與設(shè)計注漿量匹配；②注漿泵流量與設(shè)計注漿壓力匹配；③注漿泵注漿壓力與設(shè)計注漿距離匹配；④攪拌機功率與人工上料效率匹配。

計算得到注漿泵選型設(shè)計技術(shù)參數(shù)如下，設(shè)計選擇電動泵注漿型號：ZBY1.5/32-22，額定注漿壓力范圍0～25 MPa，正常注漿壓力5～15 MPa，注漿流量0～6 m3/h；每臺泵配置不少于2個攪拌桶，選JQW-250S型水泥攪拌機(攪拌容量250 L)。

電機功率/kW>20電機類型井下防爆工作壓力/MPa0～25泵送距離/m>150排漿流量/(m3·h-1)>5工藝要求單孔不間斷注漿5 h以上攪拌機容量/L>200攪拌機數(shù)量不少于2臺匹配施工人數(shù)/人5～6

2.3 孔內(nèi)下管及封孔設(shè)計

1)帷幕注漿采用“一堵一注”定位式封孔，采用長3～4 m的4分鋼管配合封孔囊袋封孔(封孔位置距孔口3 m)，連接方式如圖7所示。

圖7 “一堵一注”定位封孔示意Fig.7 Schematic diagram of “one block and one injection” positioning sealing hole

2)淺孔、中深孔及預留深孔孔內(nèi)注漿管由孔口至孔底按1寸鋼管+1寸PVC實管+1寸PVC花管順序連接布置(條件允許條件下亦可全程下1寸鋼管+1寸花鋼管)。

采用“兩堵一注+排氣管”雙膠囊耐高壓定位封孔方式?？變?nèi)1寸鋼管長度可設(shè)置為孔深的1/3，封孔膠囊須固定在1寸鋼管上，1寸鋼管長度大于封孔長度3～5 m。封孔長度一般為孔深的1/3?？變?nèi)同時安裝排氣管(4分鋼管)，長度大于封孔段長度300 mm左右，超出封孔長度段花管為宜。封孔設(shè)計及封孔管布置如圖8所示。

圖8 定向孔定位封孔設(shè)計示意Fig.8 Design sketch of directional hole positioning and sealing

2.4 封孔強度及泵效驗算

2.4.1封孔強度驗算

注漿孔直徑D取94 mm，1吋注漿管外徑d為33.5 mm，最短封孔段長度L為8 m，兩囊袋之間封孔注漿終止壓P1為1.5 MPa；遠距離注漿終壓P2為15 MPa，巖石摩擦因數(shù)μ為0.2～0.3。封孔段所受的孔壁摩擦力f=3.14×0.094 m×8 m×1.5 MPa×0.2=708 kN;封孔段所受的反推力F=3.14×1/4×(0.094 2-0.033 52)m2×20 MPa =121 kN;封孔安全系數(shù)K=f/F=5.8，兩堵一注膠囊封孔方式滿足高壓注漿工藝要求。

2.4.2注漿量估算與注漿泵功效驗算

若加固一個長l為100 m，寬度d為10 m，高h為2 m的斷層影響區(qū)域，巖層孔隙率α取0.01～0.04，(取0.03)，孔隙利用率β為0.5～0.7(與鉆孔密度和定位的精確度、漿液的配比等因素有關(guān)，取0.7)，注漿漿液密度ρ為1 700～1 900 kg/m3(取1 700 kg/m3)，注漿料水灰比γ為0.28～0.40(取0.35)，則需注漿干料的估算值θ=ldhαβρ/(1+γ)=100 m×10 m×2 m×0.03×1 700 kg/m3×0.7÷1.35=52 t上述估算值可為材料預算、井下現(xiàn)場施工、注漿效果分析提供對比參考。

斷層注漿量Q=Vημ，V為斷層體積m3，V=HLqLz；η為斷層孔隙率，取3%；H為所需加固斷層高度，取2 m；Lq為傾向加固長度，取100 m；Lz為走向加固長度，取10 m。代入相關(guān)數(shù)值，可估算斷層注漿量：Q=HLqLzηλ=42 m3。

區(qū)段內(nèi)布置鉆孔數(shù)2個，孔間距4～5 m，根據(jù)所用新型注漿材料初凝時間為5.5 h，單孔連續(xù)注漿時間取5 h，故所需注漿泵總流量約為q=1/2(Q/T)=4.2 m3/h<6 m3/h。

ZBY1.5/32-22電動注漿泵，額定注漿壓力范圍0～25 MPa，正常注漿壓力5～15 MPa，注漿流量0～6 m3/h，滿足深孔注漿使用要求。

3 工程試驗

3.1 潘二礦11123工作面回風巷平行孔布置斷層預注加固

3.1.1工作面概況

11123工作面位于潘二礦一水平東一采區(qū)，上限標高為-441 m，下限標高為-502 m。工作面可采走向長度1 345 m，傾斜長度160 m。11123工作面巷道采用錨網(wǎng)索支護時，巷道凈斷面：凈寬×凈高=5.4 m×3 m。工作面主采3煤層厚0.7～13.8 m(平均厚度為5.5 m)，平均傾角為10°。工作面范圍內(nèi)受煤層層間滑動及斷層的影響，煤層走向、傾向和厚度均有一定的變化，煤層底板標高為中間底兩頭高。根據(jù)斷層發(fā)育及坑透資料顯示，共發(fā)育8個坑透異常區(qū)。 4號異常區(qū)區(qū)內(nèi)有3條斷層(斷層參數(shù)見表2)，均為下降斷層，其中F11223-17斷層影響整個工作面，預計影響范圍為70 m×150 m(走向×傾向)，為重點加固治理區(qū)域。

表2 4號異常區(qū)斷層分布情況Table 2 Fault distribution in No.4 abnormal area

本工作面地質(zhì)構(gòu)造較復雜，受斷層影響，3煤砂巖、泥巖頂板受到應力破壞，且受斷層牽引影響，煤厚存在變化，局部存在丟煤現(xiàn)象。在斷層帶附近，巖性破碎，并可能導通C31組灰?guī)r巖溶水?；夭善陂g頂板管理困難。

3.1.2靜、動壓條件下超前預注漿加固設(shè)計

在工作面軌道巷內(nèi)采用帷幕孔、淺孔、中深孔、預留深孔相結(jié)合的4級遞進式耦合注漿方案；先施工帷幕孔并注漿，然后再按鉆孔、下管、封孔、注漿的順序依次進行淺孔、中深孔、預留深孔的“分步遞進式”注漿工序。

1)帷幕注漿。如圖9所示，當工作面距離注漿加固區(qū)域邊緣300～400 m時，在加固區(qū)域范圍內(nèi)軌道巷幫部施工帷幕孔。先施工底部一排鉆孔(距巷道頂板2.0 m，兩孔間距6 m)，注漿后再施工上部一排鉆孔(距頂板1.0 m)并注漿。帷幕注漿孔布置如圖5、圖9所示。

圖9 平行鉆孔平面布置示意Fig.9 Layout plan of parallel drilling

2)淺孔注漿。淺部帷幕注漿結(jié)束后，沿工作面推進方向間隔10 m依次施工1個35 m的水平注漿鉆孔，孔徑為?94 mm，鉆孔方向垂直巷道中線，開孔高度距巷道底板1 500 mm，設(shè)計傾角-4°，鉆孔號為1’號、2’號、3’號、……(圖6)，鉆孔平面布置如圖9所示。鉆孔清孔后下注漿管，如圖8所示，采用“兩堵一注+排氣管”耐高壓封孔方式封孔，封孔長度10 m。采用電動注漿泵注射無機復合注漿材料。

3)中深孔注漿。淺孔注漿結(jié)束后，在加固區(qū)域范圍內(nèi)軌道區(qū)段平巷幫部，沿工作面推進方向間隔10 m依次施工一個80 m注漿鉆孔，兩相鄰深孔間距10 m?？讖綖?94 mm，鉆孔方向垂直巷道中線，開孔高度距巷道底板800 mm，設(shè)計傾角-5°，鉆孔號為1號、3號、5號、……(圖6)，鉆孔平面布置如圖9所示。鉆孔清孔后下注漿管，如圖8所示，采用“兩堵一注+排氣管”耐高壓封孔方式封孔，封孔長度20 m。采用電動注漿泵注射無機復合注漿材料。

4)預留深孔注漿。中深孔注漿結(jié)束后，在加固區(qū)域范圍內(nèi)軌道區(qū)段平巷幫部，沿工作面推進方向依次施工一個120 m注漿鉆孔作為預留孔，兩相鄰深孔間距10 m?？讖?4 mm，鉆孔方向垂直巷道中線，開孔高度距巷道底板800 mm，設(shè)計傾角-6°，鉆孔號為2號、4號、6號、……(圖6)，鉆孔平面布置如圖9所示。采用“兩堵一注+排氣管”耐高壓封孔方式封孔，封孔長度約30 m。當工作面距離注漿加固區(qū)域邊緣30～50 m時，采用電動注漿泵沿工作面推進方向依次對深孔注射無機復合注漿材料。

3.2 張集礦1612(A)工作面巷道本位鉆場集中布孔斷層預注漿加固

3.2.1工作面概況

1612(A)工作面位于張集礦-492 m西三1煤采區(qū)第2個塊段，標高-508～-572 m，地面標高+19.1～+25.6 m，可采走向長度1 336～1 340 m，平均1 338 m，傾斜長度200 m。煤層厚度2.1～9.1 m，平均6.3 m，煤層傾角8°～14°，平均9.5°。工作面回采范圍內(nèi)煤巖層總體近似為一單斜構(gòu)造，局部地段存在波狀起伏，地層走向70°～130°，傾向160°～220°。面內(nèi)發(fā)育有斷層F1611A76，落差H=0.8～3.0 m，預計將嚴重影響工作面正?；夭?，為重點加固治理區(qū)域(圖10)。

圖10 扇形鉆孔平面布置示意Fig.10 Layout plan of sector drilling

3.2.2靜、動壓條件下超前預注漿加固設(shè)計

采用巷道邊緣帷幕淺孔與鉆場遞進深孔相結(jié)合的施工工藝。

1)巷道邊緣帷幕孔注漿。在斷層異常帶揭露位置至鉆場范圍內(nèi)沿巷道走向垂直工作面?zhèn)葞褪┕?排水平帷幕注漿孔。先施工底部一排鉆孔(距巷道頂板2.0 m，兩孔間距6 m)，注漿后再施工上部一排鉆孔(距頂板1.0 m)。鉆孔直徑?42 mm，孔深4 m，鄰近上下鉆孔平距3 m。采用4分鋼管注射化學漿注漿壓力1～2 MPa。注漿孔布置如圖5、圖10所示。

2)鉆場遞進深孔注漿。帷幕注漿結(jié)束后，在工作面上下區(qū)段平巷鉆場內(nèi)向工作面?zhèn)葞蛿鄬赢惓Х秶鷥?nèi)通過逐步調(diào)整鉆孔角度扇形布置不同等級深度的定向鉆孔(圖10中1號、2號、3號、……)，并逐一完成注漿。最后施工預留孔(圖10中預留1號、預留2號、預留3號、……)當工作面距離注漿加固區(qū)域邊緣30～50 m時，采用電動注漿泵對預留深孔逐一完成注漿。上述鉆孔終孔位置位于斷層線處煤層頂板上方3～5 m，斷層位置投影間距8～10 m。

3.3 斷層預注漿效果評價

1)潘二礦11123工作面化學帷幕注漿用料7 t，無機材料注漿用料50 t。斷層區(qū)鉆孔窺視及斷層揭露處漿液固結(jié)體清晰(圖11)，破碎圍巖固結(jié)效果明顯，實現(xiàn)了工作面過斷層期間的安全順利回采。

圖11 鉆孔窺視及斷層揭露處煤體采樣漿液固結(jié)情況Fig.11 Consolidation of grout of drilling peep and coal sampling at fault exposure

2)張集礦1612(A)工作面順利過斷層；期間，工作面頂板穩(wěn)定，無冒頂壓架發(fā)生，工作面單產(chǎn)6 340 t/d，推進速度在6 m/d左右，實現(xiàn)了工作面過斷層期間的安全高效回采。

4 結(jié) 論

1)通過工作面過斷層圍巖裂隙發(fā)育演化過程的模擬分析，得出斷層構(gòu)造帶具有較為發(fā)育的原生裂隙及活化再生裂隙，確定了超前工作面距離300～400 m與30～50 m靜、動壓條件下分步耦合預注漿主動治理斷層的思路。

2)形成的以帷幕孔(0～10 m)、淺孔(10～30 m)、中深孔(30～80 m)和預留深孔(80～130 m)分級遞進式注漿的靜動壓分步耦合預注漿斷層帶加固關(guān)鍵技術(shù)可以通過定向孔的平行與扇形布置來實現(xiàn)對預加固區(qū)的有效全覆蓋；可以通過高壓注漿設(shè)備與“兩堵一注+排氣管”耐高壓定位封孔方式的應用來實現(xiàn)注漿壓力5～15 MPa、注漿流量0～6 m3/h、注漿范圍0～150 m的漿液遠距離傳輸。

3)通過靜壓注漿和動壓2次補注漿，可超前工作面30～400 m實現(xiàn)對斷層構(gòu)造帶破碎圍巖體的大面積整體加固，達到了預先主動治理斷層的目的，安全性更高，同時解決了治理斷層被迫停采停面的進度問題，實現(xiàn)了工作面過斷層期間的連續(xù)化高效回采。拓展了普通注漿工藝(注漿壓力0～8 MPa，注漿范圍<10 m)的應用范圍；該技術(shù)在淮南礦區(qū)成功應用，工作面過斷層期間工作面無片幫、頂板無冒落，支架工作狀態(tài)穩(wěn)定，區(qū)段平巷巷道支護狀況良好；工作面推進度6 m/d左右，效率提高1～2倍。實現(xiàn)了綜采工作面過斷層期間的不停面連續(xù)化高效回采，給工作面斷層治理提供了技術(shù)借鑒。