注浆加固技术在综采工作面过断层中的应用

孟 君

(西山煤电(集团)公司，山西 太原 030053)

利用有机高分子材料进行破碎煤岩加固是国外在20世纪70年代初期发展起来的一项新技术，几十年来，这一技术在世界主要产煤国家得到迅速发展。我国在20世纪90年代初期开始研究煤岩体化学加固技术，并已经取得较好的经济效益和社会效益。

煤岩体化学注浆加固就是利用化学浆液来充填和固结围岩(或煤层)的裂隙面，提高围岩整体性，充分发挥煤岩体自身承载能力，保持围岩稳定。目前，对破碎煤岩体的注浆加固按材料分为无机和有机两大类。

无机材料主要以水泥—水玻璃为主，添加各种外加剂(甚至有机添加剂)，是一种水溶颗粒型浆液，结石率高，成本低。但由于其结石体机械性能差，施工工艺烦琐，主要用于加固质地坚硬、裂隙大且变形量小的围岩体。对于煤体的加固，由于其凝固时有一定量的水分析出，还会对煤体产生软化，起到相反的作用。有机材料是溶液型浆液，可以渗透到细小的裂隙中，与各种破碎围岩有较好的亲和力和黏结力，浆液结石体具有良好的机械性能，能满足围岩一定的变形量，施工工艺简单。

1 煤岩体化学注浆加固技术的应用

1．1 矿井概况

西山煤电股份公司马兰矿是我国“七五”期间建设的国有重点煤矿。1983年11月20日开工建设，1990年6月27日投产，设计生产能力400万t/年，服务年限107年。与矿井相配套的选煤厂设计能力为年入洗原煤400万 t，于1993年10月20日建成投产。矿井采用斜—立井联合开拓，现采煤层为02#、2#、8#3 层煤。

1．2 工程概况

12504工作面所采煤层为石炭二叠系山西组2#煤，属稳定可采近水平中厚煤层，煤层厚度2．68～3．57 m，平均厚度3．26 m，为 1#与 2#煤层合并区，结构较复杂，靠上部含1层夹矸，厚度0．07～0．40 m，平均0．17 m，岩性以粉砂质泥岩为主，煤层结构0．29(0．17)2．80。本区上部 02#煤大部分未采，煤厚 1．05～1．30 m，平均 1．10 m;02#煤与 2#煤层间距 8 ～14 m，平均11 m。工作面采用走向长壁后退式一次采全高全部垮落法的综合机械化采煤方法，“四·六”制作业，1个班检修，3个班生产。

12504工作面在回采过程中，工作面60#～70#架揭露3 条断层，落差分别为 3．0 m，1．8 m、2．6 m，且落差3．0 m断层与工作面夹角仅为12°，与工作面斜交至1．8 m断层处，见图1。造成工作面59#～64#架顶板难以维护。为防止漏顶事故的发生，有效地解决移架、推溜困难问题，加快推进速度，经研究采用波雷因化学加固材料及注浆设备和相关工艺，对12504工作面进行化学注浆加固，将破碎煤岩体固结，提高煤体整体强度，为安全、高效回采创造条件。

图1 12504工作面切眼图

2 加固方案

2．1 波雷因注浆材料性能

河北同成矿业科技有限公司研制生产的矿用波雷因注浆加固材料由体积相等的A、B两种化学材料组成，当A、B两种化学材料等量充分混合后，便发生一系列复杂的化学反应，生成对煤岩体具有较高黏结性的有机弹性体，人为地改善了松软破碎煤岩体的物理力学性能，有机弹性体在破碎煤岩体内形成网络骨架，起到补强加固、充填密实等作用，有效地提高了破碎煤岩体的整体强度和抗变形能力。

波雷因材料的性能指标如下：

1)乳化时间：5～10 s

2)不粘手时间：30～40 s

3)固结体密度：40～120 kg/m3

4) 抗压强度：0．3～5 MPa

5)阻燃性能：阻燃氧指数大于26%

6) 黏结强度：0．1 ～0．5 MPa

7)浆液密度：1 250 kg/m3

8)浆液黏度：125～300 MPa·s

9)双液混合比：1∶1

10)20℃时的储存期限：6个月

该浆液注入岩层后，低黏度混合物保持几秒，渗透进入细小的裂缝膨胀。固结体具有较高的黏合力和较好的机械性能，与岩层有较好的亲和力，固结体的柔韧性能较好，可承受一定的塑性变形。

2．2 注浆加固方案

对12504工作面的注浆加固，应保证在回采时顶板和煤体不出现大的片帮和冒顶，使得支架能正常推进。同时考虑到要承受采动动压影响，这就要求加固体不仅具有一定的强度，还要有一定的弹塑性，以适应超前支撑压力的变化，因此，决定选用化学注浆加固材料—波雷因材料对12504工作面进行注浆加固。

2．2．1 布孔方案

为了防止12504工作面60#～70#架上方出现较大冒顶现象，在支架前探梁下方300 mm处沿工作面方向打眼，向上呈60°左右，同时根据情况在支架中部和后部进行打孔，孔深4～6 m，采用锚索钻机进行打孔，孔径42 mm，完成钻孔后，将注浆管分组直接插入冒空区内，注浆管布置见图2。

2．2．2 注浆压力

根据煤体的承受能力和最小抵抗面及工作面围岩条件，当工作面供风风量不低于3．5 m3/min，供风压力不低于0．5 MPa时，设计巷帮的注浆终压4～6 MPa，顶板的注浆终压8～10 MPa，扩散半径均为3 m左右。

图2 注浆管布置平面示意图

2．2．3 注浆量预计

预计每孔注浆量为160～200 kg。

2．2．4 注浆设备

封孔、注浆均采用ZBQ－12型风动化学注浆泵，注浆泵工作原理见图3，相关参数见表1。与注浆设备配套的进风管为d25 mm高压风管20 m，出浆管规格为d10 mm，长度10 m、5 m、2 m各若干根。

图4 注浆系统布置示意图

图3 ZQB－12型风动化学注浆泵工作原理图

表1 ZBQ－12型风动化学注浆泵性能参数表

2．2．5 施工工艺

施工工艺：标孔→钻孔→检查钻孔质量→安装注浆管及封孔部件→封孔→准备浆液→开泵注浆→凝固→检查注浆质量→验收。注浆系统布置见图4。

2．2．6 施工组织

为了防止波雷因浆液的浪费，注浆应采用多打眼少注浆的方式，每孔预计注入200 kg左右材料。

工作面初次加固完成后，保证工作面在超前加固的前提下进行回采，加固循环进度为4～5 m，然后可根据现场情况考虑第二次注浆。

初次加固时根据工作面情况随时确定时间进行加固，后期加固时间根据工作面顶板情况另定。

3 使用效果

通过使用波雷因化学注浆材料加固，将破碎煤岩体固结，提高煤岩体整体强度，使12504工作面顶板、煤帮完整性加强，提高了整体承载能力，为12504工作面安全、高效回采创造安全有利条件。12504工作面过断层期间，采用1个班注浆，3个班生产的生产组措施，共注浆6个循环，注浆量12 t，日生产原煤3 500～4 200 t，保证了正常生产。

4 社会、经济效益

1)对12504工作面进行化学注浆加固后，工作面顶板、煤帮完整性加强，破碎煤岩体基本固结，提高了煤体整体强度和整体承载能力，保证了工作面的超前加固，为安全、高效回采创造了条件。

2)加快了12504工作面回采推进速度，确保了矿井安全、高效生产。

3)避免了工作面过断层期间由于冒顶、片帮而构顶的工作量，减轻了职工劳动强度，提高了安全系数。

4)对类似条件下工作面回采过断层具有指导意义，应用前景广阔。