齊晉楠

(山西陽城陽泰集團(tuán) 伏巖煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048100)

1 工程概況

山西陽城陽泰集團(tuán)伏巖煤業(yè)有限責(zé)任公司3202上分層工作面傾向長度為190 m，走向長度為853 m，工作面位于二采區(qū)大巷西側(cè)，南鄰3201采空區(qū)，北面為實(shí)體煤，東鄰二采區(qū)大巷；工作面開采3號煤層，煤層平均厚度為4.96 m，平均傾角為3°，煤層頂?shù)装鍘r層特征如表1所示。3202上分層工作面開采煤層高度為2.8 m，循環(huán)進(jìn)尺0.6 m，采用全部垮落法管理頂板，根據(jù)工作面的地質(zhì)資料可知，工作面內(nèi)發(fā)育有F1斷層，斷層傾角為50°，斷層最大落差為5 m，為保障工作面順利通過斷層區(qū)域，特針對斷層區(qū)域采取注漿加固技術(shù)。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征

2 注漿加固技術(shù)及機(jī)理

2.1 注漿加固機(jī)理

在進(jìn)行巷道圍巖注漿加固時，漿液進(jìn)入破碎圍巖體內(nèi)，當(dāng)漿液凝固后能夠有效提高圍巖裂隙面的變形剛度和抗剪強(qiáng)度，漿液在進(jìn)入圍巖體內(nèi)后，固化后的漿液在圍巖體內(nèi)起到網(wǎng)絡(luò)骨架作用，且固化后的漿液能夠在一定程度上起到充填壓密及轉(zhuǎn)變圍巖破壞機(jī)理方面的作用，漿液固化后可與支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個共同承載體，可大幅提升圍巖自身的穩(wěn)定性[1-3]。具體注漿加固機(jī)理如下：

1) 提高圍巖裂隙面的變形剛度和抗剪強(qiáng)度。圍巖注漿加固后，圍巖內(nèi)部原有的裂隙會被漿液充填，使得原本處于弱面處的巖體的力學(xué)性質(zhì)得到顯著的提高，能夠從整體上提升圍巖體的強(qiáng)度和完整性，破碎帶內(nèi)部松散巖塊間相對錯動的阻力會大幅增加，圍巖內(nèi)原有裂隙面處的變形剛度和抗剪強(qiáng)度均會大幅增大，具體圍巖在注漿加固前后強(qiáng)度變形情況如圖1所示。

圖1 注漿加固前后圍巖強(qiáng)度變形曲線

2) 漿液固結(jié)體的網(wǎng)絡(luò)骨架作用。斷層破碎帶的圍巖體采用注漿加固時，隨著漿液滲入破碎圍巖體內(nèi)后，漿液在破碎煤巖體內(nèi)裂隙內(nèi)固結(jié)，會在圍巖內(nèi)形成一個固結(jié)漿液網(wǎng)絡(luò)，此時能夠大幅提升圍巖體的整體承載能力。

3) 充填壓密及轉(zhuǎn)變圍巖破壞機(jī)理作用。漿液在注漿泵的壓力作用下進(jìn)入到斷層破碎帶的縫隙中，漿液在壓力的作用下會對原本破碎的圍巖體形成一定的充填壓密作用，且破碎圍巖體在漿液的膠結(jié)作用下會重新形成一個較為完整的承載體。

4) 與支護(hù)結(jié)構(gòu)形成共同的承載作用。斷層破碎帶圍巖體在注漿加固后會形成一個新的承載結(jié)構(gòu)，注漿后的圍巖體與工作面內(nèi)回采期間液壓支架的支護(hù)形成一個承載結(jié)構(gòu)，并能夠相互作用，進(jìn)而有效分擔(dān)一部分原有支架上的荷載，可大幅降低支架上的荷載，有效改善圍巖應(yīng)力的分布，進(jìn)而能夠有效保障工作面回采推進(jìn)通過斷層區(qū)域時的效果[4-5]。

2.2 注漿加固技術(shù)

根據(jù)3202工作面斷層區(qū)域的分布特征，本次采用的注漿加固技術(shù)主要涉及到地質(zhì)資料收集、注漿工序間的預(yù)處理、合理的注漿材料、注漿壓力、注漿孔間排距，具體注漿加固流程如圖2所示。

圖2 注漿工藝流程

在斷層破碎帶區(qū)域進(jìn)行注漿加固時，注漿前需檢查注漿系統(tǒng)連接情況，采用清水進(jìn)行試泵，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行正常后即可開泵注漿。在注漿過程中需觀察注漿泵的變形情況，根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整注漿速率，專人進(jìn)行注漿時間、注漿壓力及注漿量的記錄，當(dāng)出現(xiàn)大范圍漏漿時，可暫停注漿，采用速凝劑配少量速凝劑進(jìn)行封堵，等封堵材料封閉后再開泵注漿。

3 過斷層圍巖控制方案

3.1 過斷層控制技術(shù)

根據(jù)3202上分層工作面F1正斷層的具體地質(zhì)條件，由于工作面探測數(shù)據(jù)不充分，工作面初始回采推進(jìn)期間未采取注漿加固措施，工作面揭露斷層初期即出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，冒頂寬度達(dá)到4.2 m，冒頂高度達(dá)到10 m，具體斷層位置及冒頂情況如圖3所示。

圖3 斷層及冒頂情況

根據(jù)工作面冒頂情況，設(shè)置在冒頂區(qū)域采用充填空洞及鋪設(shè)人工假頂后采用注漿加固工藝，即注漿加固前首先進(jìn)行冒頂區(qū)域的預(yù)處理，在處理完畢后進(jìn)行注漿加固，并在工作面回采前進(jìn)行二次支護(hù)，即工作面過斷層區(qū)域的圍巖控制技術(shù)為人工假頂和充填空洞+注漿加固+二次支護(hù)，具體圍巖控制方案為：

1) 人工假頂和充填空洞。根據(jù)F1斷層特征及冒頂情況，采用長度為21 m的鋼管，在冒頂下邊緣水平距離5 m的位置處橫向布置人工假頂?shù)匿摴茕佋O(shè)點(diǎn)，鋼管件的間距為200 mm，鋼管的嵌入角度為18～20°，鋼管鋪設(shè)時保障鋼管的一端有效嵌入堅(jiān)硬的頂板巖層內(nèi)，鋼管假頂鋪設(shè)完畢后進(jìn)行空洞區(qū)域的充填，充填材料采用美固MP367，具體鋪設(shè)人工假頂和充填空洞方式如圖4所示。

圖4 人工假頂及充填空洞施工示意

2) 注漿加固+二次支護(hù)。本次F1斷層破碎帶區(qū)域注漿加固時，考慮到工作面回采期間截割的問題，注漿材料選用水泥-水玻璃漿液，設(shè)置注漿的終孔壓力為2 MPa，基于水泥-水玻璃漿液的擴(kuò)散范圍為1～2 m[7-8]，在斷層破碎帶區(qū)域布置注漿鉆孔時，設(shè)置注漿孔的間排距為1 m，即保障注漿鉆孔的間排距為漿液擴(kuò)散距離的1倍，注漿鉆孔長度為4 m，具體注漿鉆孔的布置方式如圖5(a)所示。注漿作業(yè)完成后，為保障工作面順利通過斷層區(qū)域，在斷層區(qū)域進(jìn)行二次支護(hù)，針對冒頂空洞下方采用錨索+工字鋼進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，錨索錨固在堅(jiān)硬頂板巖層內(nèi)，通過錨索將工字鋼梁固定在頂板下方，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域頂板的控制，具體二次加強(qiáng)支護(hù)如圖5(b)所示。在工作面推進(jìn)通過斷層破碎帶區(qū)域時，工作面回采移架期間嚴(yán)格控制移架步距為200 mm，保障液壓支架對頂板的支撐作用。

3.2 效果分析

3202上分層工作面在采用斷層破碎帶圍巖控制技術(shù)后，根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果能夠看出斷層破碎帶在采用注漿加固后破碎頂板得到了有效膠結(jié)，破碎頂板充分凝結(jié)形成了完整的結(jié)構(gòu)。另外根據(jù)現(xiàn)場觀測可知，3202上分層工作面順利通過F1斷層區(qū)域，工作面回采推進(jìn)時無液壓支架壓架及冒頂現(xiàn)象出現(xiàn)，斷層破碎帶區(qū)域頂板的最大下沉量不大于20 mm/d，工作面過F1斷層的圍巖控制技術(shù)有效保障了工作面推進(jìn)通過斷層破碎帶，為工作面的安全回采提供了有效的保障。

圖5 注漿加固及二次支護(hù)結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié) 語

根據(jù)3202上分層工作面及F1斷層發(fā)育特征，通過分析注漿加固的機(jī)理，結(jié)合斷層破碎帶區(qū)域的冒頂情況，設(shè)計過斷層控制方案為人工假頂和充填空洞+注漿加固+二次支護(hù)，基于破碎帶具體情況進(jìn)行各項(xiàng)控制措施參數(shù)的設(shè)計，根據(jù)工作面回采期間的觀測可知，過斷層控制技術(shù)保障了工作面順利回采通過斷層區(qū)域。