青云煤礦綜采工作面過斷層帶注漿加固技術研究

任志強

（山西介休義棠青云煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000）

1 工程概況

青云煤礦020204 綜采工作面主采2#煤層，厚 度2.3～2.7 m，平 均2.5 m；煤 層 走 向260°～270°，傾角10°～16°，平均13°。2#煤層為穩(wěn)定的大部可采煤層，由東到西具有厚薄相間的變化趨勢，煤層結構簡單，含3 層矸石，夾矸巖性以泥巖、砂質泥巖為主，煤硬度1～2，回采時容易片幫。煤層頂?shù)装寰唧w巖性情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y構

020204 綜采工作面位于二采區(qū)，地面標高+930～+1030 m，井下標高+361～+394 m。工作面傾向長度190 m，走向長度316 m。工作面東為推進方向，西為井田邊界，南為實體煤層，北鄰020201面采空區(qū)。根據掘進過程中上下順槽及切眼揭露情況，020204 運輸順槽揭露落差1.7 m 的F1 正斷層，走向75°，傾角56°。工作面回采過該斷層時，可能出現(xiàn)煤壁片幫、頂板冒落等事故，需提前對工作面圍巖進行科學合理控制。

2 過斷層帶時工作面穩(wěn)定性分析

為明確斷層構造對工作面圍巖穩(wěn)定性的影響，通過數(shù)值模擬結合現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據進行研究分析。

2.1 數(shù)值模擬分析

采用COMSOL 數(shù)值模擬軟件對斷層處工作面圍巖應力分布情況進行模擬分析。為使模擬結果盡可能準確，在巷道內對圍巖進行鉆孔取芯，帶回實驗室進行物理力學測試，試驗情況如圖1。

圖1 巖層物理力學測試

每組試驗均為3 個巖樣進行測試，巖樣制為直徑20 mm、長度300 mm 的圓柱體，測試結果見表2。模擬中的煤巖層物理力學參數(shù)均按表2 進行賦參。

表2 煤巖體物理力學參數(shù)

模擬時不考慮溫度場影響，主要為滲流場及應力場。模擬結果如圖2。

圖2 工作面應力分布云圖

由圖2 可知，工作面的應力集中主要在斷層處，這是由于斷層存在自由面，應力在自由面容易集中。斷層處的圍巖在應力集中的作用下，裂隙逐漸發(fā)育擴展，易引起失穩(wěn)、煤壁片幫，最終導致工作面垮塌、壓架等事故發(fā)生。

斷層處最大集中應力為45 MPa，豎向集中范圍為5 m，水平方向上35～45 MPa 應力集中區(qū)域長度為40 m，主要靠近運輸巷一側，回風巷一側應力相對平穩(wěn)。因此，運輸巷側斷層位置附近40 m 范圍內的頂板巖層容易出現(xiàn)垮落情況，這是垂直應力和水平應力共同作用的結果；回風巷一側的頂板受運輸巷頂板垮落的影響，也會出現(xiàn)局部垮落的現(xiàn)象，最終導致工作面圍巖整體失去平衡。

2.2 支架壓力監(jiān)測分析

工作面單個支架寬度1.5 m，共計126 架，統(tǒng)計出各支架壓力的監(jiān)測數(shù)據，得到過斷層前工作面支架壓力統(tǒng)計圖如圖3。

圖3 注漿前支架壓力分布

由圖3 可知，支架壓力的波峰出現(xiàn)在第60#支架處，該支架與回風巷的距離為100 m，與運輸巷的距離為90 m，波峰支架壓力為42 MPa。根據整體應力分布情況可知，運輸巷一側，支架壓力由15 MPa 增長至42 MPa，壓力平均每米增長0.3 MPa；回風巷一側，支架壓力由42 MPa 降低至20 MPa，壓力平均每米降低0.22 MPa。運輸巷一側支架壓力變化率為回風巷一側的1.36 倍，這是由于斷層的影響導致了工作面傾向上的應力分布不均勻。

3 斷層影響區(qū)注漿加固技術[1-5]

3.1 注漿加固材料

根據現(xiàn)場條件及斷層產狀，選用無機復合注漿加固材料，該材料具有以下特點：

1）材料凝固后強度較高。在現(xiàn)場選取破碎煤巖體及部分矸石，將碎石與注漿材料一同置入方形容器內，待漿液固結后，對固結煤巖體進行單軸壓縮試驗，試驗結果如圖4。由圖4 可知，破碎煤巖體經注漿材料加固后的穩(wěn)定性及完整性較強，其單軸抗壓強度能達到22 MPa 左右。

圖4 固結體單軸壓縮試驗

2）注漿材料的流動性強、擴散范圍較廣。材料顆粒粒徑較小，擴散范圍能達到10 m 以上。

3）漿液固結后狀態(tài)較穩(wěn)定。漿液完全凝固的時間為8 h，漿液凝固后的膠結率可達到100%，且泌水率較低，狀態(tài)穩(wěn)定；漿液的水灰比控制在0.3～0.4之間，可有效解決破碎煤巖體遇水軟化的問題。

3.2 注漿鉆孔布置

F1 斷層靠近020204 運輸巷一側，在斷層附近運輸巷內布置鉆孔，進行圍巖注漿加固。如圖5。

圖5 注漿鉆孔布置方案（m）

在運輸巷內共布置2 排鉆孔，均垂直于采煤幫施工，上下兩排鉆孔呈三花眼狀布置，孔間距均為3 m。第一排鉆孔距底板1.0 m，第二排鉆孔距底板2.5 m，兩排鉆孔距離為1.5 m。在斷層影響區(qū)前30 m 范圍內，注漿鉆孔的深度控制在35～50 m 之間，在斷層影響區(qū)后10 m 范圍內，注漿鉆孔的深度控制在25～35 m 之間，鉆孔終孔位置需打入斷層另一盤的穩(wěn)定巖層中。注漿鉆孔的直徑均為38 mm。

注漿壓力對漿液的擴散及注漿量影響較大，根據以往類似工程經驗，注漿壓力為靜水壓力的2 倍左右時的注漿效果較好。考慮到斷層處圍巖較為破碎，需適當減小注漿壓力，防止?jié){液沖出。根據現(xiàn)場實際情況，確定注漿壓力為3～5 MPa，單個鉆孔的注漿量應保持在160～230 m3之間。現(xiàn)場采用氣動注漿泵，配套高壓膠管及混合槍頭進行注漿施工。

3.3 封孔工藝

注漿鉆孔施工后，需對孔口進行封堵，若采用傳統(tǒng)的止?jié){塞進行封孔，會出現(xiàn)漿液外溢，因此，考慮采用兩堵一注的封孔方式進行封孔。單個孔的封堵長度為3 m，主要包括孔口管和兩端麻繩。注漿時，漿液通過孔口管注入兩麻繩之間，麻繩可以起到降低漿液外溢的效果，以此起到孔口封孔作用。

4 圍巖控制效果分析

在020204 運輸巷內共計布置30 個注漿鉆孔來加固F1 斷層影響區(qū)。采煤面推進至注漿加固區(qū)時，工作面圍巖整體較為穩(wěn)定，工作面的推進速度未受影響。提取工作面支架壓力的監(jiān)測數(shù)據，并制成壓力分布圖如圖6。由圖6 可知，對斷層影響區(qū)進行注漿加固后，工作面支架壓力整體分布較均勻，未出現(xiàn)大幅度變化的情況，支架壓力在20～30 MPa 之間，未出現(xiàn)頂板冒落、煤壁片幫現(xiàn)象，支架與頂板能夠密切接觸，應用效果良好。

圖6 注漿后支架壓力分布

5 結論

1）通過COMSOL 數(shù)值模擬軟件分析了工作面過斷層時應力分布情況，得出斷層帶最大集中應力45 MPa，豎向集中范圍5 m，水平方向35～45 MPa應力集中區(qū)域長度40 m，主要靠近運輸巷一側。

2）注漿加固后現(xiàn)場推采時，對支架壓力進行了監(jiān)測分析。數(shù)據表明，支架壓力波峰出現(xiàn)在第60#支架處，該支架與回風巷的距離為100 m，與運輸巷的距離為90 m，波峰支架壓力為42 MPa。工作面支架壓力分布均勻，圍巖控制效果良好。