深孔注漿加固技術在8203面過斷層中的應用

田 野

（晉能控股煤業(yè)集團泰山隆安煤礦，山西 保德 036600）

斷層是一種常見的地質構造。 在煤礦工作面回采過程中，斷層對工作面生產具有較大影響[1-3]，斷層及其附近圍巖較為破碎，回采工作面過斷層期間易發(fā)生片幫、冒頂事故。 這不僅影響工作面頂板安全管理，還會因過斷層頂板、煤幫破碎導致工作面推進度低，設備故障率高等問題[4-5]。 因此，回采工作面過斷層前，需針對斷層及其附近破碎圍巖采取針對性加固措施，例如加強工作面及巷道支護強度、超前注漿提高破碎圍巖穩(wěn)定性等[6-7]?；诖耍蕴┥铰“裁旱V8203 工作面F43斷層為工程對象，提出工作面過斷層區(qū)域超前注漿加固方案。

1 工作面概況

泰山隆安煤礦8203 綜采工作面設計走向長度625 m，傾向長度240 m。 工作面開采8 號煤層，煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度3.7～5.2 m 左右，平均4.4 m，煤層傾角為2°～8°，平均4°左右。煤層直接頂為泥巖、砂質泥巖，厚度為10 m；基本頂為中砂巖、粗砂巖，厚度為13 m；直接底為泥巖，厚度為4.7 m；老底為石灰?guī)r，厚度7.3 m。 工作面運輸順槽及回風順槽均采用矩形斷面，斷面寬度為5.0 m，高度為3.5 m，采用錨網索聯(lián)合支護。

8203 回風順槽在 （FL4 導線點）261 m 處，揭露F43正斷層，走向358°，傾向268°，傾角75°，落差1.8 m，工作面布置及斷層產狀，如圖1 所示。

圖1 工作面布置及斷層產狀

2 斷層深孔注漿加固方案

為確?；夭晒ぷ髅孢^斷層期間頂板及煤體的穩(wěn)定性，通過超前深孔注漿對斷層及其附近的破碎煤巖體進行注漿加固，加固范圍為工作面?zhèn)葦鄬痈浇?0 m 范圍內的煤層及煤層頂板，共需注漿加固40 m，注漿加固范圍如圖1 所示。

2.1 注漿鉆孔布置及參數(shù)設計

由于F43斷層處于8203 回風順槽，為減少鉆孔工程量及高效注漿，將鉆孔施鉆位置選擇在8203 回風順槽內，并根據(jù)斷層的位置、產狀、落差高度設計鉆孔參數(shù)。 由于F43斷層最大落差為1.8 m，為確保斷層附近工作面預采部分的頂煤及頂板實現(xiàn)有效注漿加固，將鉆孔設計為上下兩排，排距為1 m，鉆孔間距均為2 m，上下兩排孔間呈三花眼布置，上排孔設計傾角為+5°，主要負責頂部煤體及頂板注漿加固，防止頂煤及破碎矸石冒落，下排孔設計傾角為+3°，主要負責回采范圍內煤體的注漿加固，防止煤壁片幫。 鉆孔深度根據(jù)斷層位置及鉆孔開孔位置確定，終孔位置均為超過斷層20 m，鉆孔直徑均為98 mm，共布置注漿鉆孔58個。 注漿鉆孔平剖面布置如圖2 所示。

圖2 注漿鉆孔平剖面布置

2.2 超前深孔注漿方案

為確保注漿加固效果，防止采動影響斷層附近巷道及破壞斷層周圍煤巖體，根據(jù)礦井采面采動影響范圍及注漿加固時間等方面的觀測結果，確定在工作面回采至距離斷層30 m 以外開始實施注漿加固，注漿加固期間，需對鉆孔封孔工藝、注漿材料、注漿壓力等方案進行明確。

（1）封孔工藝：為確保對斷層及其附近破碎煤巖體的注漿效果，必須保證鉆孔封孔質量，防止高壓注漿期間漿液向外滲流影響注漿效果。 封孔前先預埋注漿管，注漿管采用φ50 mm 的鋼管，單根長度為2 m，采用接箍連接，每根注漿管中部兩側各開一個φ6 mm 的泄?jié){孔；由于注漿孔均為正坡度，注漿管長度為不小于鉆孔深度的2/3，防止注漿期間發(fā)生積漿堵管。 設計封孔長度為8 m，封孔里端通過預埋注漿管在8 m 位置處采用毛巾纏裹棉花進行封堵，封孔外端采用毛巾配合棉花同時纏裹注漿管及封孔輸漿管。 封孔輸漿管分為進漿管及返漿管，進漿管長度3 m，返漿管長度7 m。封孔材料采用初凝時間較快的無機單液注漿材料，水灰比為0.8:1，初凝時長為8 min，2 h 后強度可達到3.5 MPa，可滿足快速封孔并短時達到封孔材料最高強度的80%，封孔2 h 后即可開始注漿。

（2）注漿材料：注漿材料采用聯(lián)邦無機雙液注漿材料，水灰比控制為1.5:1，8 h 強度可到2.5 MPa，24 h 強度可達8 MPa，3d 后強度可達12 MPa，可滿足破碎煤巖體的固結穩(wěn)定。

（3）注漿工藝：注漿期間最大注漿壓力控制在3 MPa 以內，防止壓力過大破壞封孔材料及向外竄漿，可多次循環(huán)開啟注漿。 注漿順序為先注下排孔，再注上排孔。 注下排孔期間，觀察下排孔周圍煤壁有漿液滲出后，可暫停注漿，然后注上排孔，同樣發(fā)現(xiàn)煤壁有漿液滲出后停止注漿，然后等待8 h后再次復注，直至注漿壓力達到3 MPa 后停止注漿，該孔注漿完成。

3 效果測定與分析

為檢驗深孔注漿對斷層附近破碎煤巖體的加固效果，通過窺視注漿孔、觀測巷道變形、觀察回采工作面過斷層期間斷層及其附近的煤巖體固結情況，進行分析總結。

3.1 孔內窺視情況分析

在注漿加固范圍每隔10 m 施工一個窺視鉆孔（不封孔注漿），窺視鉆孔參數(shù)同上排注漿孔一致，共布置4 個窺視鉆孔，窺視鉆孔布置位置如圖1 所示，在注漿前、后窺視鉆孔內壁情況，主要觀測對比注漿前后孔壁光滑程度及裂隙情況，以此進行注漿效果評判，分析漿液與破碎煤巖體的膠結情況。 本次窺視結果選擇注漿前后孔壁情況對比較為明顯的2 號窺視鉆孔進行分析，窺視情況如圖3 所示。

圖3 2 號窺視鉆孔孔壁窺視情況

由圖3（a）可知，實施深孔注漿前，鉆孔孔壁較為粗糙，裂隙發(fā)育較為明顯，可見孔壁煤巖體局部有分層現(xiàn)象。由圖3（b）可知，注漿后的孔壁表面較為光滑，可觀測出明顯的漿液覆蓋及充填，注漿前的孔壁裂隙及煤巖體分層已不可見，說明漿液已滲入孔壁的煤巖體裂隙中，漿液充填效果明顯。 由此分析，通過深孔注漿后，破碎的煤巖體內已通過注漿膠結，煤巖體結構的整體穩(wěn)定性得到提高。

3.2 巷道變形情況分析

對F43斷層實施深孔注漿前，在注漿段巷道每隔10 m 建立一個巷道變形觀測站，共建立了5 個測站，測站位置如圖1 所示。 在工作面回采至距離斷層150 m 時，超前采動影響已達到斷層處，開始每10 d 觀測一次各測站變形情況，主要觀測收集了頂板下沉量、兩幫收縮量及巷道底鼓變形數(shù)據(jù)，并將其中變形量最大的3 號觀測站數(shù)據(jù)繪制變形圖，具體變形情況如圖4 所示。

圖4 3 號測站處巷道變形規(guī)律曲線

如圖4 所示，注漿后的斷層附近巷道在采動影響下，前40 d 內（距工作面150～60 m）巷道頂板下沉量及兩幫收縮量均有明顯上升，40 d 后變化逐步趨于穩(wěn)定，底鼓量在25 d后基本趨于穩(wěn)定。至工作面回采過觀測站時，頂板最大下沉量157 mm，兩幫最大收縮量170 mm，最大底鼓量85 mm，巷道圍巖變形量較小，整體變形在允許變形范圍之內，表明超前深孔注漿后圍巖整體穩(wěn)定性增強，注漿加固效果良好。

3.3 回采過斷層期間效果分析

實施超前深孔注漿后，8203 綜采工作面回采過斷層期間，斷層及其附近煤巖體整體穩(wěn)定性較好，斷層及其附近圍巖裂隙內漿液滲透膠結情況清晰可見，回采期間未發(fā)生煤壁片幫及頂部破碎煤巖體冒落情況。

4 結論

工作面過斷層前，通過對斷層及其附近煤巖體進行超前深孔注漿，可實現(xiàn)破碎圍巖的重新膠結，從而提高煤巖體整體穩(wěn)定性，解決了巷道變形量大及工作面過斷層期間發(fā)生煤壁片幫及頂部破碎煤巖體冒落問題，為工作面安全過斷層創(chuàng)造條件。