注漿加固技術(shù)在工作面過斷層中應(yīng)用

趙景川

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽城四侯煤業(yè)有限公司，山西晉城 048108）

綜采工作面回采期間經(jīng)常遇到陷落柱、斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造，其中斷層是最常見地質(zhì)構(gòu)造之一，斷層侵入煤體后造成斷盤兩側(cè)煤體在空間上出現(xiàn)位移，巖體內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，構(gòu)造區(qū)內(nèi)形成的構(gòu)造應(yīng)力對煤體產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致工作面揭露斷層前后時煤壁片幫、頂板破碎、順槽底鼓、巷道收縮等應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，對工作面安全回采影響較大；所以工作面回采期間根據(jù)斷層賦層特征采取合理有效的圍巖控制技術(shù)，對工作面回采安全具有重要意義；本文以四侯煤礦3201 工作面為研究對象，對工作面過斷層期間提出了注漿加固技術(shù)，成功解決了綜工作面過斷層時圍巖控制難度大、效果差等技術(shù)難題。

1 概述

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽城四侯煤業(yè)有限公司3201工作面位于井田二采區(qū)，工作面東部為3202工作面，西部為井田邊界，南部為二采區(qū)運(yùn)輸巷、二采區(qū)回風(fēng)巷，北部為二采區(qū)西翼

3201工作面可采長度為1100m，切眼長度為185m，回采煤層為山3#層，平均厚度為2.88m，傾角為3°，煤層為黑色—灰黑色，半亮—光亮型煤，玻璃—似金屬光澤，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，階梯狀、貝殼狀斷口，條痕灰黑色，裂隙不發(fā)育，為光亮型煤。煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，含0～3層夾矸，夾矸為泥巖，煤層裂隙不發(fā)育，進(jìn)、回順槽掘進(jìn)期間，都遇到不同程度的構(gòu)造發(fā)育，夾矸變厚，煤層變薄等情況。煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 3201工作面回采的3#層頂?shù)装鍘r性表

3201 工作面回采區(qū)域整體地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，主要以中小斷層為主，根據(jù)前期巷道掘進(jìn)地質(zhì)資料顯示，3201 工作面回采期間共計揭露5 條正斷層，斷層具體參數(shù)如表2所示，布置位置如圖1所示。

圖1 3201工作面斷層布置平面示意圖

表2 3201工作面斷層參數(shù)表

2 注漿加固支護(hù)技術(shù)

3201工作面揭露的5條正斷層對工作面回采影響不大，工作面過斷層時主要采用強(qiáng)行破巖法回采工藝，2022年6月17日、26日工作面分別揭露F1、FS3斷層，在揭露斷層期間，圍巖破碎嚴(yán)重，巷道推進(jìn)難度大，所以決定對工作面過其他斷層時對圍巖采取注漿加固技術(shù)。

2.1 斷層區(qū)圍巖加固機(jī)理

斷層區(qū)圍巖在構(gòu)造應(yīng)力卸壓破壞作用下，煤巖體破碎嚴(yán)重，煤巖承載強(qiáng)度降低，工作面回采時在疊加應(yīng)力作用下會進(jìn)一步頂?shù)装寮懊罕诿簬r體破碎程度，導(dǎo)致端面距加大、端面頂板垮落以及煤壁片幫等；破碎區(qū)圍巖采取注漿加固后漿液沿圍巖裂隙滲透并凝固，形成具有一定抗壓強(qiáng)度的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)承載骨架，如圖2 所示，從而改變圍巖內(nèi)部物理性質(zhì)以及化學(xué)力學(xué)結(jié)構(gòu)，如提升煤巖體內(nèi)摩擦角和粘聚力等，達(dá)到提高圍巖穩(wěn)定性的目的。

圖2 注漿后形成的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 注漿材料選取

注漿材料選取水泥—水玻璃作為注漿材料，其中水泥、水玻璃作為主劑，氫氧化鈣作為速凝劑，磷酸氫二鈉作為緩凝劑，水泥采用52.5#高強(qiáng)度礦用硅酸鹽水泥，采用水玻璃模數(shù)為2.4～3.4，濃度為30～45°Be′，水泥與水玻璃配比為1∶1,速凝劑添加量為水泥的20%，緩凝劑添加量為水泥的3%。

2.3 注漿鉆孔布置及注漿工藝

截止2022年8月19日工作面已回采至340m，通過鉆探發(fā)現(xiàn)在工作面前方2～12m 范圍內(nèi)逐漸揭露FS7斷層，該斷層對工作面回采影響長度為27m；根據(jù)F1斷層區(qū)圍巖破碎情況，工作面在揭露斷層期間對工作面煤壁采用淺孔注漿，在回風(fēng)順槽側(cè)煤壁采用深孔超前注漿。

（1）工作面布置兩排注漿孔，孔深為5.0m，直徑為45mm，工作面布置兩排“三花”孔，上排孔布置在頂板下0.5m 處煤壁上，布置仰角為15°，下排孔布置在底板上1.5m處煤壁上，布置仰角為6°。

（2）超前注漿深度為15～30m，鉆孔布置在回風(fēng)順槽側(cè)煤柱上，共計布置一排，鉆孔垂直布置，鉆孔直徑為45mm，布置間距為5.0m，第一個鉆孔超前工作面5m布置。

（3）工作面揭露斷層前2.0m 時開始對工作面煤壁注漿，注漿流量為40kg/孔，單孔注漿穩(wěn)壓時間不低于10min，注漿壓力為5MPa;超前注漿孔注漿流量為75～110kg/孔，注漿壓力為15MPa。

3 注漿效果分析

為了驗證注漿后圍巖物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)改善情況，分別對注漿區(qū)施工窺視孔觀察注漿效果以及取樣對注漿圍巖進(jìn)行單軸抗壓試驗，試驗結(jié)果表明：

（1）在工作面斷層區(qū)域內(nèi)未注漿區(qū)和注漿區(qū)分別施工一個直徑為80mm,深度為4.0m 窺視孔，利用CHK7.2（B）礦用鉆孔成像儀進(jìn)行孔壁圍巖觀察發(fā)現(xiàn)，在注漿前孔壁巖體成破碎結(jié)構(gòu)，并存在裂隙，孔口處出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，如圖3（a）所示；注漿后孔壁煤巖體完整性好，無裂隙發(fā)育現(xiàn)象，如圖3（b）所示。

圖3 注漿前后孔壁煤巖體窺視圖

（2）分別取注漿前后相同規(guī)格的煤巖體樣塊，通過單軸試驗發(fā)現(xiàn)，未注漿前煤巖體單軸抗壓強(qiáng)度為9.5MPa，注漿后煤巖體單軸抗壓強(qiáng)度為28.4MPa，注漿后巖體單軸抗壓強(qiáng)度提高了3倍，起到了抗壓作用。

4 結(jié)語

（1）3201 工作面在過斷層期間受集中應(yīng)力破壞作用，圍巖破碎嚴(yán)重，若不采取圍巖控制措施，對工作面回采影響大，造成支架工作阻力不足現(xiàn)象，導(dǎo)致頂板破碎、垮落、煤壁片幫事故發(fā)生。

（2）對3201工作面斷層區(qū)采取注漿加固技術(shù)后，能夠使為巖裂隙進(jìn)行填充、封堵，注漿后形成的承載網(wǎng)絡(luò)骨架能夠起到抗壓、抗載荷作用，通過孔壁窺視以及單軸抗壓試驗發(fā)現(xiàn)，注漿后巖體增加了圍巖內(nèi)摩擦角和粘聚力，改善了圍巖內(nèi)部物理及化學(xué)性質(zhì)。

（3）工作面在后期過F133、F134斷層時同樣對斷層區(qū)采取注漿加固技術(shù)，回采過程中未初選頂板垮落、煤壁大面積片幫事故，回采速度由原來的3.2m/d 提高至5.6m/d，由此可見注漿加固技術(shù)能夠保證工作面安全快速過斷層區(qū)，針對性強(qiáng)、應(yīng)用效果好。