王強強

（山西晉煤集團趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000）

煤礦井下地質條件復雜，開采過程中會遇到工作面過斷層等工程問題。當工作面推進過程中遭遇斷層或陷落柱等構造時，煤壁及頂板極不穩(wěn)定，容易引發(fā)片幫、冒頂事故，影響安全生產[1-2]。目前在解決此類問題時，多采用化學漿液對其進行加固。化學漿雖性能優(yōu)異，但其有毒，有腐蝕性，價格貴，且含有氯、磷元素等，對煤炭利用產生不良影響，只能當作應急材料，不宜大量推廣使用[3]。而無機材料雖在性能上低于化學漿，但其低成本、環(huán)保等突出優(yōu)勢得到礦區(qū)大范圍注漿的廣泛使用[4]。本文針對晉煤集團趙莊礦5312 大采高工作面在推進過程中遇到斷層問題，利用鉆探孔精確掌握斷層分布位置，設計注漿鉆孔布置方案[5]，同時利用研發(fā)的高性能無機注漿材料對斷層區(qū)域進行超前注漿加固，為解決工作面過斷層問題提供了有效方法，同時也為相似工程提供借鑒。

1 工程背景

5312 綜采大采高工作面位于趙莊礦五盤區(qū)，開采3 號煤層，工作面走向1623 m，傾向294 m，煤層平均厚度4.8 m，平均傾角3°，為一次采全高工作面。工作面共布置三條順槽，其中53121 巷為工作面運煤巷、進風巷，53122 巷為工作面回風巷、輔運巷，53123 巷（原5311 工作面53112 巷）為工作面進風、輔運巷。

在工作面巷道掘進過程中揭露正斷層F490，斷層傾角約60°，落差0～10 m。由于斷層落差較大，將影響工作面安全回采。為全面掌握斷層分布、影響范圍，對工作面地質構造進行槽波探測后，對斷層區(qū)域施工了鉆探孔，為工程施工設計提供依據(jù)。斷層分布和探孔布置如圖1 所示。其中，斷層影響范圍為工作面推進280～480 m，采用工作面硬推過斷層方法。

圖1 工作面布置及斷層分布圖

2 斷層位置及鉆孔設計

為使?jié){液能夠起到固結破碎煤巖體的作用，在注漿前必須保證鉆孔終孔位置進入需要加固的層位，這樣漿液才能起到加固效果。即在注漿鉆孔設計前，應先掌握斷層上下盤煤巖體之間分布，之后據(jù)此調整工作面綜采設備的機采高度等參數(shù)。同時，為保證注漿效果，根據(jù)探孔結果先對4 個鉆探孔位置進行注漿鉆孔設計，再依次對所有鉆孔進行設計。利用打設的鉆探孔來判斷斷層揭露情況，選取1#探孔、2#探孔、補2#探孔、5#探孔共4 個具有代表性的探孔進行分析。

2.1 機采高度范圍設計

根據(jù)鉆探孔分析結果，機采時支架上抬角度應盡量大，但上抬角度不宜超過10°，避免支架傾倒引發(fā)事故；當機尾距斷層面距離在6 m 左右時，即可上抬進入下盤煤。部分探孔鉆孔布置示意圖如圖2 所示。

圖2 部分探孔鉆孔布置示意圖

2.2 注漿鉆孔設計

根據(jù)斷層在工作面的分布情況，確定本次注漿實施范圍為回采進度的280～480 m，以關鍵探孔參數(shù)為基礎進行其余鉆孔設計，來適應斷層分布的空間差異性，保證注漿加固效果。

為不影響工作面正常回采，選擇在53121 巷的巷幫布置鉆孔。為提高注漿效果、節(jié)約鉆孔施工量，鉆孔設計為上、下兩排，呈“三花”布置。上排孔孔高2.0 m，為加固斷層影響區(qū)域頂板破碎煤巖體，上排鉆孔終孔位置應位于頂板上方1.0 m 范圍內。下排孔孔高1.1 m，為保證漿液擴散在破碎煤體中，鉆孔終孔位置保證在機采高度范圍內，其深度應進入下盤煤10 m 左右。上、下兩排鉆孔間距10 m，孔徑均為75 mm，孔深45～75 m。以1#探孔斷層分布為例，如圖2 所示。鉆孔設計平面圖如圖3 所示。

圖3 注漿鉆孔布置平面圖

3 注漿材料及注漿時機選擇

3.1 注漿材料選擇

由于在注漿過程中是對工作面斷層區(qū)域進行預注漿，因此對注漿材料的性能有較高要求。對于深孔預注漿工程，由于鉆孔深度大，漿液需具備良好的流動性才能到達注漿加固區(qū)域，同時還應保證漿液在輸送、流動過程中不發(fā)生泌水等漿液性能折扣現(xiàn)象。同時，超前注漿區(qū)域多位于塑性區(qū)，該區(qū)域圍巖裂隙發(fā)育不完全，存在微小裂隙，因此，為保證漿液起到加固大多小裂隙的效果，注漿材料應為超細顆粒漿液，配合注漿高壓力的作用，深入微小裂隙。本次預注漿施工在大采高工作面，推進速度快，因此，漿液在固化后應具備早強特性，在工作面推進至斷層區(qū)域時，固結后的煤巖體具備較高的強度，防止片幫冒頂事故發(fā)生。

針對以上分析，本次注漿加固采用晉煤集團研發(fā)的聯(lián)邦加固高性能注漿材料。該注漿材料為單液超細水泥，材料細度達1250 目，在使用時按照水灰比0.6:1 加水攪拌，1 h 內不發(fā)生泌水現(xiàn)象，仍具備良好流動性，在2～3 h 內漿液逐漸稠化直至完全失去流動性，約10 h 完全固化，其固結體1 d 抗壓強度16 MPa，3 d 抗壓強度26 MPa，7 d 抗壓強度可達32 MPa。該材料失流、硬化和固結體強度參數(shù)等性能能夠很好地滿足深孔預注漿需求。

由于圍巖淺層區(qū)域比較破碎，在注漿過程中會出現(xiàn)漏漿情況，而上述單液材料失流時間較長，不能很好地進行堵漏，同時也會造成鉆孔深部注漿量過小，折扣注漿效果。為此專門研發(fā)一種雙液注漿材料，該材料由兩種無機礦粉組成，在水灰比1:1的條件下混合后，能夠在2～5 min 左右失去流動性，20 min 后即可硬化，2 h 強度可達8 MPa。在注漿過程中，可先對圍巖破碎區(qū)域使用雙液材料進行注漿，提前形成淺部止?jié){層，為深部注漿提供密閉空間，提高深部注漿量，優(yōu)化注漿效果。

3.2 合理注漿時機選擇

由于工作面超前支承壓力的存在，煤壁前方不同區(qū)域煤巖體破碎程度不同。現(xiàn)場觀測在工作面0～20 m 左右的超前支承壓力上升區(qū)圍巖裂隙發(fā)育程度高，可注漿量大，但由于距離工作面過近，裂隙貫通條件下的煤壁容易出現(xiàn)漏漿情況。在工作面前方55 m 左右以外的范圍內，圍巖不受超前支承壓力影響，裂隙不發(fā)育，可注性較差。而工作面前方20～55 m 的超前支承壓力下降區(qū)域，圍巖受支承壓力影響，出現(xiàn)一定張開度的裂隙，在此時進行注漿，注漿壓力適中，可適當提高注漿量也可避免漏漿現(xiàn)象，同時也可為注漿材料提供充分的強度增長時間。

因此確定合理注漿時機在工作面前方25～45 m處，隨著超前支承壓力影響范圍的前移形成移動注漿。

3.3 注漿參數(shù)

對于深部注漿，應達到劈裂微小裂隙的注漿效果，注漿壓力應在25～30 MPa 之間。在注漿堵漏時，應適當減少注漿壓力至3～8 MPa，堵漏完成后開始增加注漿壓力。

4 注漿效果考察

為檢驗注漿效果，在工作面過斷層期間進行推進速度統(tǒng)計，根據(jù)結果將工作面推進階段分為五個區(qū)域進行分析。注漿前后推進速度統(tǒng)計如圖4 所示。

5312 工作面正?；夭赏七M速度為3 m/d，隨著工作面進入影響區(qū)域，工作面平均回采速度逐漸下降至1.36 m/d；當工作面機尾開始揭矸時，平均回采速度下降至1.18 m/d；在工作面大部分揭露斷層時，工作面共發(fā)生3 次片幫、冒頂現(xiàn)象，由于消耗部分時間處理冒頂，工作面平均回采速度降至0.88 m/d。

進入注漿區(qū)域后，工作面未發(fā)生冒頂，最大片幫深度0.5 m，連續(xù)架次不超過3 架，回采順利，平均推進速度提升至1.35 m/d，工作面日產提升了53.4%；工作面揭露斷層結束后，推進速度達到正常的回采速度。

圖4 注漿前后推進速度統(tǒng)計

5 結論

（1）利用鉆探孔判斷工作面斷層的分布情況，預測了下盤煤位置，確定了采高范圍，并以此設計了具體的注漿鉆孔參數(shù)。

（2）根據(jù)深孔注漿和淺層堵漏需要，研發(fā)了高性能單液注漿材料和雙液堵漏材料，優(yōu)化注漿加固效果。分析確定了工作面前方25～45 m 為工作面過斷層期間的合理注漿時機，隨著工作面的推進形成“移動注漿”。

（4）經(jīng)過對斷層區(qū)域超前深孔注漿加固，有效減少了工作面的片幫、冒頂事故的發(fā)生，實現(xiàn)了工作面安全、快速過斷層。