注漿加固技術(shù)在綜采工作面構(gòu)造區(qū)的應(yīng)用

郭小路

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)野川煤礦，山西 高平 048400）

綜采工作面過(guò)斷層期間受構(gòu)造應(yīng)力影響工作面出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在煤壁片幫、頂板破碎嚴(yán)重，應(yīng)力區(qū)順槽底板鼓起以及兩幫收斂等[1-7]，導(dǎo)致工作面回采效率低、支架移架困難、回采危險(xiǎn)系數(shù)高等技術(shù)難題；工作面過(guò)斷層時(shí)主要采用超前移架進(jìn)行圍巖控制維護(hù)，但受應(yīng)力破壞后回采煤體出現(xiàn)超前破碎現(xiàn)象[8]，采用液壓支架不能很好地對(duì)煤體起到超前支護(hù)的作用，達(dá)不到預(yù)期支護(hù)效果。 本文以野川煤礦3205 工作面為例，對(duì)工作面過(guò)DF5斷層時(shí)采用煤巖體超前注漿加固技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力區(qū)煤巖體超前加固作用，提高應(yīng)力破壞區(qū)圍巖膠結(jié)穩(wěn)定性，防止煤體出現(xiàn)超前破碎現(xiàn)象。

1 概述

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)野川煤礦3205 工作面位于井田一水平二采區(qū)西南部，東部為二采區(qū)大巷，南部、西部為井田邊界，北部為3203 工作面。

3205 工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度947 m，傾向長(zhǎng)度185 m，工作面回采3#煤層，平均厚度5.8 m，平均傾角3°，煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。3205 工作面采用低位放頂煤回采工藝，采煤高度3.5 m，放煤高度2.3 m，截至目前工作面已回采418 m。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r性匯總

3205 工作面回采至392 m 處，位于工作面尾部（120#～91#支架）煤壁揭露一條DF5正斷層，如圖1 所示。斷層落差1.4 m，傾角55°，斷層對(duì)工作面回采走向影響長(zhǎng)度為70 m，傾向影響長(zhǎng)度44 m。由于工作面揭露斷層時(shí)斷層巖體主要以泥巖為主，巖體硬度相對(duì)較低，決定采用強(qiáng)行破巖法過(guò)DF5斷層。 工作面破巖過(guò)斷層至398 m 處時(shí)受構(gòu)造應(yīng)力影響，頂板巖體出現(xiàn)破碎、煤壁片幫現(xiàn)象，伴隨著局部陷底現(xiàn)象，隨著工作面推進(jìn)，當(dāng)工作面回采至400～418 m 段時(shí)，工作面底板陷落深度為0.7～3.2 m，導(dǎo)致局部支架支撐強(qiáng)度不足、支架陷架現(xiàn)象嚴(yán)重，威脅著工作面安全高效回采。

圖1 3205 工作面平面布置

2 工作面陷底原因分析

1）多重應(yīng)力影響：3205 工作面在揭露DF5正斷層時(shí)，工作面受構(gòu)造應(yīng)力、回采應(yīng)力、周期來(lái)壓等集中應(yīng)力疊加影響，工作面頂板、 煤壁受力加大，工作面回采過(guò)程中支架上方應(yīng)力通過(guò)支架支護(hù)作用，可削弱應(yīng)力破壞作用，而工作面煤體上方超前應(yīng)力一部分通過(guò)煤體支撐作用進(jìn)行削弱[9]，一部分沿煤壁傳遞至底板，對(duì)煤壁及底板巖體產(chǎn)生剪切破壞作用，導(dǎo)致底板斷裂下沉現(xiàn)象。

2）煤體松軟：工作面回采的3#煤層屬于石炭系煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差，在揭露斷層后煤體受剪應(yīng)力破壞嚴(yán)重，煤體出現(xiàn)嚴(yán)重片幫現(xiàn)象，降低了煤體力學(xué)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煤體承載能力降低，無(wú)法有效控制、削弱頂板垂直應(yīng)力傳遞作用，造成局部應(yīng)力傳遞至底板，對(duì)底板產(chǎn)生破壞[10]。

3）底板穩(wěn)定性差：通過(guò)揭露DF5斷層發(fā)現(xiàn)，工作面?zhèn)葹閿鄬酉卤P，斷層上盤煤體在空間上出現(xiàn)下移，導(dǎo)致下盤局部煤體進(jìn)入煤層底板內(nèi)，工作面強(qiáng)行過(guò)斷層時(shí)，底板為煤體，煤體厚度為1.4 m，3#煤層煤體在應(yīng)力以及采煤機(jī)割煤擾動(dòng)作用下，煤體整體成破碎狀，造成底板平整性及強(qiáng)度降低，導(dǎo)致底板下陷。

3 注漿加固方案設(shè)計(jì)

3.1 注漿加固方案

結(jié)合3205 工作面地質(zhì)條件以及回采現(xiàn)狀，決定對(duì)工作面底板下陷區(qū)域進(jìn)行超前加固，注漿孔布置在3205 回風(fēng)順槽工作面?zhèn)让罕谏希白{區(qū)長(zhǎng)度為50 m，即工作面420～470 m 段；注漿鉆孔距底板距離為1.0 m，鉆孔直徑為45 mm，鉆孔深度為45 m，鉆孔以8°俯角布置，鉆孔布置間距為3.0 m，如圖2 所示。

3.2 注漿材料選擇

目前煤礦采掘工作面主要采用無(wú)機(jī)類水泥漿液和有機(jī)類化學(xué)漿液兩類注漿材料加固提升煤巖體整體穩(wěn)定性以及承載能力。 無(wú)機(jī)類水泥漿液主要采用水泥漿液和水玻璃進(jìn)行配比，該注漿材料成本相對(duì)較低、發(fā)熱量小、取材容易。 但水泥漿液流動(dòng)性及對(duì)細(xì)小巖體裂隙滲透能力差，注漿擴(kuò)散半徑小[11]，且注漿凝固體韌性弱，注漿后對(duì)大應(yīng)力變形圍巖加固效果差；而有機(jī)類化學(xué)漿液主要為A（改性脲醛樹脂）、B（催化劑）兩種成分混合漿液，該注漿液成本費(fèi)用相對(duì)較高，反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，但是滲透能力強(qiáng)，凝固體柔性及抗載荷強(qiáng)度高[12]，根據(jù)3205 工作面生產(chǎn)現(xiàn)狀，決定采用改性脲醛樹脂與催化劑以3:1 配比混合液作為注漿材料。

3.3 封孔工藝

為了提高注漿效果，保證注漿壓力，注漿施工前需對(duì)注漿空口段進(jìn)行注漿加固，通過(guò)多次改良，決定對(duì)3205 工作面注漿鉆孔采用麻絲與注漿聯(lián)合封孔[5]，封孔工藝如圖2 所示。

圖2 3205 工作面注漿平面

封孔時(shí)首先對(duì)鉆孔內(nèi)安裝兩根注漿鋼管，其中1#鋼管長(zhǎng)度為3.0 m，直徑為20 mm，2#鋼管長(zhǎng)度為6.0 m，直徑為40 mm。鋼管安裝后在孔口處以及1#鋼管底端采用麻絲進(jìn)行封堵，然后對(duì)1#鋼管注入聚氨酯進(jìn)行孔口封堵；封孔完成后將2#鋼管與注漿槍連接，進(jìn)行注漿施工。

3.4 注漿量計(jì)算

在注漿施工過(guò)程中，注漿量大小根據(jù)圍巖破碎情況確定，一般情況下注漿過(guò)程中注漿液不會(huì)向煤體外繼續(xù)擴(kuò)散，且持續(xù)供壓達(dá)到30 min后可以停止注漿；注漿施工注漿量可按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q為注漿量；K為注漿液消耗系數(shù)；a為注漿鉆孔數(shù)量；R為注漿液擴(kuò)散半徑；H為鉆孔深度；β為漿液充填系數(shù)；η為注漿煤巖體空隙率；l為注漿后漿液結(jié)石系數(shù)。

通過(guò)實(shí)際計(jì)算可得，3205 工作面注漿量為217 m3。

4 注漿效果分析

3205 工作面采用ZQJC 型氣動(dòng)架柱式鉆機(jī)進(jìn)行超前注漿鉆孔施工，共計(jì)施工20 個(gè)注漿鉆孔，LSY-110 型注漿泵進(jìn)行注漿施工，共計(jì)用時(shí)42 d完成工作面所有鉆孔及注漿施工工作，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，單孔注漿量為12.4 m3，共計(jì)注漿量為248 m3，比理論計(jì)算注漿量要大。

通過(guò)對(duì)工作面采取超前注漿加固后，3205 工作面在后期回采過(guò)程中，工作面陷底量減少至0.4 m，同時(shí)工作面煤壁片幫及頂板破碎得到有效控制。 由此可見，工作面采用超前注漿后，提高了底板煤體整體穩(wěn)定性及承載強(qiáng)度，有效削弱了集中應(yīng)力對(duì)底板破壞作用。

5 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)工作面斷層區(qū)軟巖底板采取超前注漿加固后，注漿液在注漿壓力作用下對(duì)底板煤體裂隙進(jìn)行充分填充，底板煤體穩(wěn)定性、膠結(jié)強(qiáng)度得到了有效提升，強(qiáng)化了煤體固化效果。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，3205 工作面采取注漿加固后提高了煤巖體整體強(qiáng)度，有效防止了工作面后期回采時(shí)設(shè)備陷底現(xiàn)象，保證了工作面安全快速通過(guò)斷層區(qū)，為后期采掘工作面過(guò)類似地質(zhì)條件提供了實(shí)踐依據(jù)，具有一定的參考意義。