主動(dòng)治理斷層技術(shù)在興安煤礦的成功應(yīng)用

張秉德，李寶柱，連鴻全

（黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 鶴崗 154100）

由于斷層構(gòu)造的存在及影響，工作面采動(dòng)及斷層活化耦合作用致使煤巖體的強(qiáng)度降低，圍巖穩(wěn)定性減弱，支架支護(hù)阻力降低和位態(tài)變差、頂板超前抽冒、煤壁片幫，嚴(yán)重的可能會(huì)造成擠架、壓架，嚴(yán)重影響工作面安全高效回采[1-6]。為加強(qiáng)采煤工作面全過(guò)程災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控工作，避免采煤工作面過(guò)斷層造成大幅度減產(chǎn)，鶴崗礦業(yè)公司樹立“斷層就是風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)不防控就是隱患”的理念，積極將采煤工作面被動(dòng)過(guò)斷層變?yōu)槌爸鲃?dòng)治理斷層[7-9]。公司所屬興安煤礦綜采四隊(duì)開采三水平南33層邊界區(qū)二段二分層工作面因接續(xù)問(wèn)題外延過(guò)一分層停采線回采期間，一分層停采線板頭區(qū)域及斷層處頂板破碎。通過(guò)采取對(duì)停采線及斷層附近破碎的煤巖進(jìn)行注漿加固[10-14]，解決了采煤工作面過(guò)破碎帶時(shí)頂板抽漏的問(wèn)題，為工作面超前治理斷層，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)產(chǎn)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

興安煤礦是龍煤集團(tuán)鶴崗礦業(yè)公司下屬生產(chǎn)能力為2.70 Mt/a的大型礦井，位于鶴崗煤田南部，井田煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)多為復(fù)合煤層。隨采深增加，礦壓明顯增大，特別是采煤工作面過(guò)破碎帶時(shí)，頂板抽漏的問(wèn)題給安全生產(chǎn)帶來(lái)了隱患。興安煤礦33層為堅(jiān)硬厚煤層開采，因煤質(zhì)堅(jiān)硬不宜放煤開采而采取分層開采模式。開采的三水平南33層邊界區(qū)二段二分層工作面，為延緩接續(xù)需要過(guò)一分層停采線過(guò)板頭和Fi、Fm兩處斷層開采，走向外延60 m，為保障該面順利過(guò)一分層板頭及斷層開采，工作面超前采取了預(yù)注漿主動(dòng)加固措施。工作面分層巷道布置及斷層分布情況如圖1所示。

圖1 工作面分層巷道布置平面

2 主動(dòng)治理斷層技術(shù)

工作面過(guò)斷層破碎帶主要采取預(yù)注漿加固措施。注漿輸送技術(shù)是采用一種物料或以多種特殊材料配比攪拌制成一種漿液，用自動(dòng)壓送漿設(shè)備連續(xù)將注漿液體壓入較松軟的地層、裂隙性高含孔隙水層或未破碎的地層介質(zhì)中使其凝固并膠結(jié)，起到堵孔隙水層或粘結(jié)加固地層作用的新技術(shù)[15-19]。注漿方法大致有：填充型注漿、滲透式注漿、壓密法注漿和劈裂法注漿四種方法。注漿機(jī)常用注漿材料按分類有粒碎末狀漿材和化學(xué)漿材，粒狀漿材分類主要指的是各種硅酸鹽水泥漿，化學(xué)漿材類主要包括多種硅酸鹽材料（水玻璃）漿料和其他各種有機(jī)高分子漿材[20-21]。采煤工作面破碎頂板預(yù)先注漿加固施工技術(shù)廣泛用于采煤工作面頂板破碎、易露漏頂縫或過(guò)斷層構(gòu)造帶加固等。

3 工程應(yīng)用

3.1 預(yù)注漿工藝

（1）打鉆注漿設(shè)施。打眼使用ZY-150型鉆機(jī)、配備50 mm鉆桿，?75 mm鉆頭，Y型液壓泥漿泵1臺(tái)；注漿使用攪拌機(jī)1臺(tái)、流量傳感器1臺(tái)；壓力傳感器1臺(tái)；灌漿記錄儀1臺(tái)，對(duì)講機(jī)數(shù)臺(tái)[22]。

（2）打鉆注漿流程。打開泵注漿管孔口蓋→擰緊安裝管螺紋/固定泵注漿管頭孔→擰緊用海麻包釘固定扎管堵頭泵注漿管路螺紋固定/堵頭泵臨時(shí)封孔→封孔泵注漿封口→連接注漿泵→連接注漿管路→注漿。

（3）鉆孔布置方式。在三水平南33層邊界區(qū)二段軌道施工鉆孔，采用平行鉆孔、扇形鉆孔布置，鉆孔的孔底打至一分層停采線及斷層破碎帶。超前注漿鉆孔布置情況如圖2、圖3所示。

圖2 超前注漿鉆孔布置平面

圖3 超前注漿鉆孔布置剖面

3.2 “兩堵一注”帶壓封孔

采用“兩堵一注”帶壓封孔技術(shù)，如圖4所示。兩端采用布頭和封孔劑（聚氨酯）封堵，中間使用封孔泵帶壓注入水泥漿，并多次進(jìn)行補(bǔ)注。實(shí)際封孔效果如圖5所示。

（1）封孔施工工藝。①鉆孔封孔長(zhǎng)度：封孔長(zhǎng)度5 m，孔口圍巖破碎時(shí)封孔長(zhǎng)度增長(zhǎng)至10 m。②鉆孔內(nèi)下10 m長(zhǎng)的1寸鐵管，一長(zhǎng)一短2根4分鐵管。③鉆孔封堵：在1寸管5 m（或10 m）處裹2袋封孔劑（聚氨酯下入孔前將聚氨酯揉搓混合后綁扎），迅速將1寸管下至鉆孔內(nèi)。④下完10 m長(zhǎng)的1寸管后，再向孔內(nèi)下兩根4分鐵管，一根長(zhǎng)1.5 m的4分注漿管，另一根長(zhǎng)5 m或（或10 m）的返漿管，并確保管路暢通。⑤封堵孔口：塞入2袋混合好的封孔劑（聚氨酯），末端再用布條堵嚴(yán)，防止封孔劑淌出，確保嚴(yán)密。⑥注漿：采用BEK-10/2.4型煤礦用封閉孔泵向4分注漿管孔灌注水泥漿，注滿后，從另一根4分返漿管出漿后停止注漿（第一次泵注漿的壓力大約為1.0 MPa，用悶蓋輕輕將另一根4分出注漿管蓋上，并用少許清水充分沖洗注漿管，間隔至少3h后再行補(bǔ)加注第二次，使泵壓一直穩(wěn)定地在1.8 MPa以上，最后將注漿管蓋上，水灰比≤0.7:1）。⑦封孔24 h后，孔內(nèi)漿液凝固后，開始向1寸管內(nèi)注漿。

（2）多次補(bǔ)漿。普通的壓封孔工藝是在壓封好一個(gè)孔體后，水泥漿長(zhǎng)時(shí)間未凝固導(dǎo)致鉆孔容易發(fā)生收縮變形而出現(xiàn)收縮縫，致使鉆孔可能出現(xiàn)一些漏氣變形等一系列問(wèn)題，采用多次鉆孔補(bǔ)注漿技術(shù)后則可有效地減少變形收縮縫的產(chǎn)生，解決鉆孔漏氣問(wèn)題。

（3）適用條件?！皟啥乱蛔ⅰ睅悍饪准夹g(shù)，適用于傾角不大于20°的鉆孔。

（4）注意事項(xiàng)。①鉆進(jìn)時(shí)控制鉆頭的鉆進(jìn)速度，保證鉆孔施工平直，孔內(nèi)煤巖破碎，鉆屑量大時(shí)，往復(fù)倒鉆排凈孔內(nèi)鉆屑，確保封孔管及注漿、返漿管能夠順暢下入孔內(nèi)。②鉆孔封孔距離內(nèi)孔徑不小于80 mm，終孔下鉆要清掃鉆孔內(nèi)鉆屑，為封孔提供良好條件。③封孔前需將封孔材料準(zhǔn)備好，管路入孔前必須清除管內(nèi)雜物，確保暢通。

圖4 兩堵一注封孔

圖5 實(shí)際封孔效果

3.3 水泥漿制作

（1）水泥漿配比。注漿使用水、高標(biāo)號(hào)水泥、灌漿劑等按比例進(jìn)行調(diào)配、然后用攪拌機(jī)攪拌均勻；液態(tài)時(shí)間120 min漿液配比系數(shù):水泥（P.O42.5）:灌漿劑:水（質(zhì)量比）=100:6:55.1；液態(tài)時(shí)間50 min漿液配比系數(shù):水泥（P.O42.5）:灌漿劑:水（質(zhì)量比）=100:8:56.2；液態(tài)時(shí)間30 min漿液配比系數(shù):水泥（P.O42.5）:灌漿劑:水（質(zhì)量比）=100:10:57.2，配料期間嚴(yán)格使用電子秤進(jìn)行稱重確保達(dá)到配比要求。

（2）水泥漿制作。步驟如下：①使用白色量筒（15 kg容量）裝水，放在電子秤上稱重計(jì)數(shù)（電子秤不得沾水，防止損壞），然后倒入攪拌桶內(nèi)（確保桶內(nèi)未存水），累計(jì)倒入配比系數(shù)的水（2h為165.3 kg、50 min為168.6 kg、30 min為171.6 kg）；②按比例先將粉狀添加劑（2h為18 kg、50 min為24 kg、30 min為30 kg）加入清水中，打開攪拌泵開關(guān)攪拌2 min后，倒入6袋水泥（300 kg），攪拌5 min完成。打開注漿泵注漿，注漿過(guò)程中邊注漿邊用攪拌機(jī)攪拌；③第一個(gè)攪拌桶注漿過(guò)程中，在另一個(gè)桶內(nèi)配比相同濃度的漿液備用，確保注漿連續(xù)，如需更換配比濃度，按配比系數(shù)進(jìn)行調(diào)配。

4 應(yīng)用效果

興安煤礦三水平南33層邊界區(qū)二段工作面通過(guò)打鉆注漿，帶壓水泥漿滲入破碎的煤巖體及裂隙中，通過(guò)多次間隔性的帶壓注漿，注漿壓力14～17 MPa，使破碎帶充滿水泥漿，水泥漿凝固后，與破碎的煤巖體膠結(jié)成一體，達(dá)到加固破碎帶的目的，使頂板圍巖穩(wěn)定性度得到加強(qiáng)，保障到了該工作面開采過(guò)程的穩(wěn)定順利進(jìn)行。

自2021年9月17日開始對(duì)試驗(yàn)工作面進(jìn)行打鉆注漿工作，截至10月1日施工鉆孔29個(gè)孔，注漿27個(gè)孔，注漿190罐（水泥57 t、灌漿劑3.42 t、水31.4 t）。工作面一分層停采線破碎帶注漿加固完工后，10月2日開始繼續(xù)對(duì)Fi、Fm斷層破碎帶進(jìn)行注漿加固。10月10日工作面采過(guò)一分層停采線，停采線處頂板實(shí)見水泥漿與煤巖體膠結(jié)形成的再生頂板，再生頂板較完整，工作面過(guò)一分層停采線注漿段時(shí)，頂板無(wú)抽漏現(xiàn)象。打鉆注漿成功解決工作面過(guò)破碎帶頂板抽漏的問(wèn)題，為礦區(qū)其他工作面開采提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

該工作面通過(guò)向一分層停采線板頭區(qū)域及斷層破碎帶注漿加固，成功推采過(guò)一分層停采線，工作面外延60 m，多回采原煤0.053 Mt，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益3 180萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

注漿加固技術(shù)已成為工作面過(guò)斷層、頂板破碎帶對(duì)圍巖體主動(dòng)治理的關(guān)鍵技術(shù)，其工藝簡(jiǎn)單實(shí)用。通過(guò)超前實(shí)施打鉆注漿解決了破碎帶回采工作面頂板抽漏問(wèn)題，保證了施工人員的安全，提高了生產(chǎn)效率。在安全管理方面，從原來(lái)的被動(dòng)支護(hù)，轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用注漿加固主動(dòng)進(jìn)行防護(hù)，使工作面過(guò)破碎帶開采真正實(shí)現(xiàn)了安全、高效。打鉆和注漿支護(hù)技術(shù)還可用于軟巖破碎帶巷道加固，壓力較大巖石巷道等的圍巖加固，應(yīng)用前景廣泛。