大采高工作面过断层深孔注浆加固技术研究

赵春波

（山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西 晋城 048000）

赵庄矿3310大采高工作面在推进过程中遇到断层等构造区，由于断层落差大、走向长等原因，造成断层面两侧煤体高度落差大，影响范围广，且断层面附近煤岩体十分破碎，因此工作面支架在倾向上穿过断层面及附近区域以及揭露顶部煤时，极易发生片帮、冒顶事故，造成工作面停采。因此，为保证赵庄矿3310大采高工作面安全高效地通过断层构造区，先对工作面断层进行位置确定、设计支架上抬参数以及钻孔布置，通过深孔注浆加固断层破碎区域，防止片帮、冒顶事故的发生。

1 工程概况

赵庄矿3310工作面位于矿井西翼盘区，主采3#煤层，工作面走向长度962m，倾向长度250m，平均煤厚4.70m，煤层平均倾角3.1°，采用综合机械化开采。工作面布置33101胶带运输顺槽、33102回风顺槽和33103辅助运输顺槽。

该工作面断层较为发育，根据顺槽揭露情况和地测结果，在工作面回采至470m处揭露DF97断层。断层倾角约为73°，落差0～6m，走向影响范围为回采进度470～630m，倾向影响范围为工作面中部至机尾。具体工作面布置和断层分布情况见图1。

图1 工作面布置及断层位置

2 断层位置确定及注浆钻孔设计

为更好地掌握断层具体位置，确定煤层揭露情况，及时调整液压支架上抬角度预防片帮、冒顶事故，合理确定注浆钻孔参数，优化注浆效果，从而起到更好的加固作用，先利用钻探方式确定断层位置。在33101巷回采进度625m、575m、525m、475m处共布置4个关键探孔判断断层揭露情况，编号为1～4#，具体探孔位置见图1。根据钻探揭露情况，绘制工作面揭露断层剖面图，同时根据剖面图确定工作面机采高度范围，从而进一步进行注浆钻孔布置。注浆钻孔首先根据探孔位置设计，再依次设计其余注浆钻孔。

工作面上抬设计的目的：由于断层影响，工作面煤体出现落差，支架必须起坡以从上盘煤进入下盘煤中（如图2所示），因此必须掌握工作面在倾向上的布置，明确机采高度范围，从而为注浆区域、布置注浆钻孔提供依据。设计应把握以下原则：（1）支架上抬应尽量大，要求尽量少支架在断层影响区域，但不能超过10°；（2）应能尽量多回收煤炭；（3）钻孔长度超出断层面一定距离。

钻孔设计原则：根据探孔情况，为避免钻孔过深，不利于施工，在33101巷帮和33102巷帮开孔，其中回采进度470～520m处在33102巷帮开孔，回采进度520～630m处在33101巷帮开孔。设计上、下两排钻孔，上、下排钻孔间距10m，孔径均为75mm。下排孔开孔高度距离底板1.1m，下排孔终孔位置在机采高度范围，下排孔设计深度应进入下盘煤10m；上排孔开孔高度距离底板2.0m，上排孔设计深度应至少超过断层面10m，上排孔终孔位置在机采高度上方1m左右的顶板内。以2#探孔位置为例，具体工作面上抬设计及深孔注浆钻孔布置见图2。

图2 上抬设计及深孔注浆钻孔布置图

钻孔布置：实施范围为回采进度470～630m，合计160m长度。由于断层变化连续，以4个钻探孔为关键孔，依次进行所有钻孔设计。上排钻孔与下排钻孔间距均为10m，共设计35个钻孔，孔深60～125m。两条顺槽钻孔布置相同，钻孔设计平面图如图3所示。

图3 注浆钻孔布置平面图

3 注浆材料及注浆参数选择

超前深孔注浆工程特性：

（1）钻孔深度大。浆液应具备良好的流动性，以满足充分扩散的要求，同时具备良好的悬浮性，避免浆液扩散过程中水、料分离；

（2）裂隙发育程度低。超前工作面注浆，裂隙开度相对较小，贯通性较差，注浆材料应超细化，以使材料颗粒进入微小裂隙，同时应配合高注浆压力劈裂注浆；

（3）时效性要求高。综采工作面回采速度快，超前注浆数天后工作面进入注浆区域，要求注浆材料具备较高强度，因此注浆材料需要满足强度快速增长的要求。

针对超前深孔注浆工程特性，河南理工大学研发了超细水泥单液注浆材料。材料细度1250目，使用水灰比0.6:1。材料加水搅拌后，40～60min内流动性较好，不泌水，之后逐渐稠化，2～3h完全失去流动性，约10h完全固化，之后强度快速增长，1d抗压强度16MPa，3d抗压强度26MPa，7d抗压强度32MPa。

合理注浆时机：根据现场试验情况，工作面前方55m以外裂隙不发育，注浆困难且作用较小，认为超前支承压力区注浆能够取得最好的效果。在压力作用下，裂隙适度张开，提高了可注性，而工作面前方0～20m施工时间紧张，且工作面侧漏浆问题突出，因此认为工作面前方20～55m为合理的注浆区域。通过现场试验进一步确定在工作面前方25～45m注浆为合理注浆时机，注浆跟随工作面回采进行。

注浆压力：最大注浆压力以能劈裂微小裂隙为宜，根据岩石岩性物理力学参数分析和现场试验，最大注浆压力25～30MPa，最终注浆压力应达到25～30MPa。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

共施工35个钻孔，实际钻孔进尺3500m，注浆材料消耗量129.5t，平均单孔注浆量3.5t，最大单孔注浆量10t。

4.2 效果考察

工作面正常回采速度3m/d。工作面进入断层影响区之后，进入注浆区域前50m，工作面共发生3次片帮、冒顶现象，片帮深度1.5～2.5m，冒顶高度1～3m，连续架次超过8架，对回采造成严重影响，消耗大量时间处理冒顶，工作面平均回采速度0.88m/d，如图4（a）所示。进入注浆区域后，工作面未发生冒顶，最大片帮深度0.5m，连续架次不超过3架，回采顺利，平均推进速度2.5m/d，如图4（b）所示。

图4 工作面各区域片帮、冒顶情况

5 结论

（1）断层分布预测及注浆钻孔布置。选取关键钻探孔，预测下盘煤位置，确定支架上抬设计和机采高度范围。设计两排注浆钻孔，下排孔终孔位置在机采高度范围，上排孔设计深度进入顶板5m，并依次对35个钻孔进行了参数设计。

（2）注浆材料选择。深孔注浆材料选用超细水泥单液注浆材料，具备超细、流动性好、强度增长快的特性。堵漏材料选用双液注浆材料，具备快速失去流动性、快速堵漏的特性。两种材料交替使用，实现注浆量最大化。

（3）合理注浆时机为工作面前方25～45m。工作面前方0～20m施工时间紧张，漏浆问题突出；工作面前方55m以外裂隙不发育，注浆困难且作用较小；工作面前方20～55m为合理的注浆区域，通过现场试验进一步确定为工作面前方25～45m。

（4）注浆效果考察。工作面进入注浆区域前，发生3次对回采影响较大的片帮、冒顶，冒顶高度1～3m，平均推进速度0.88m/d；进入注浆区域后，未发生冒顶，工作面推进速度2.5m/d。