工作面过断层破碎带注浆加固技术实践

李建功

(潞安集团 潞宁煤业公司，山西 忻州 036000)

工作面开采过程中经常遇到各种地质构造，给工作面的正常开采带来了极大困难[1]。尤其是工作面过断层时，断层造成的工作面顶板破碎，围岩难以控制等，极易引发冒顶和压死支架的现象[2]，导致工作面无法正常开采，严重影响工作面的高效推进，因此解决工作面过断层时顶板围岩控制问题显得尤为重要[3]。本文针对潞宁煤业22103工作面过断层时围岩难以控制的难题，提出采用切割上盘顶板岩层，保留底板煤层过断层的方法[4]，以及对煤壁和顶板破碎严重的地方注入马丽散，有效解决了工作面顶板破碎问题。

1 工作面概况

潞宁煤业22103工作面所采2号煤层位于侏罗系大同组，煤层稳定可采，结构复杂，含两层夹矸。煤层平均厚度为4.95 m，煤层倾角5～10°，老顶为中细砂岩，平均厚度7.2 m，直接顶以泥岩、砂质泥岩为主，厚度为3 m；老底为厚度6.5 m的中砂岩，直接底为厚度4.5 m的泥岩。

22103工作面煤层整体为单斜构造，东北高西南低，整体坡度较小，回采范围内构造较简单，巷道掘进期间揭露3条落差较大的断层，如表1所示。其中F2断层位于回采区域内的长度为100 m，断层走向为 180°，基本与工作面平行，工作面只能采取正过，所以F2断层对工作面的影响最大。本文以F2断层为例，研究工作面过断层的技术与工艺。

表1 断层分布状况

2 注浆加固技术

2.1 注浆加固技术机理

当工作面推进到断层区域时，断层附近的原岩应力状态被打破，该区域的应力重新分布，围岩变得极不稳定，断层的存在加剧了围岩的破碎状态，使得工作面顶板变得异常破碎，极易受环境和开采扰动的影响。通过对破碎的煤岩体注浆，使浆液沿围岩间的裂隙扩散，待浆液凝固后便可将破碎的煤体和岩体胶结在一起，使得煤岩体的支撑强度大大加强。注浆改变了注浆区域煤岩体的物理力学性质，将其重新胶结成一个整体，增加破碎带结构间的黏聚力。对于工作面，注浆黏结了断层带附近的大小裂隙，形成网状骨架结构，大大加强了围岩顶板的整体稳定性，保证了工作面过断层期间的正常开采。

2.2 注浆材料的选择

本次注浆选用具有强机械性能、良好抗渗透性和很好胶结性能的马丽散作为注浆材料。马丽散由树脂和催化剂1∶1混合而成，待两者混合后，浆液粘度大大降低，能够快速沿岩体裂缝扩散并胶结，实现在短时间内加固煤体，增强其支撑强度的目的。

3 过断层方法

3.1 工作面过断层方案

如图1所示，断层最大落差为3.5 m，落差不大，现场过断层采用切割上盘顶板岩层，保留底板煤层通过断层的方法，用该方法可以使工作面顶板一直为岩层，对顶板的控制比较有利。对工作面回采影响较大的断层为F2，该断层为贯穿工作面的正断层，走向为180°，倾角为70°，断距为3.5 m，起坡角为7°。

图1 过断层示意

支架起坡点位置按下式计算：

式中:H为断层断距，m；M为工作面采高，m；β为起坡角度，(°)；α为断层倾角，(°)。

将上述数据代入公式求得L1=26.3 m，L2=24.1 m。因此工作面支架起坡点位于工作面区域顶板位置距离断层面约27 m 处，即回采工作面推进180 m 后开始起坡。

3.2 注浆方案

3.2.1 注浆孔布置及参数

依据22103工作面煤壁和顶板情况，选择在煤壁和顶板破碎严重的地方进行注浆加固，注浆孔布置如图2所示。为了保证工作面的安全高效推进，在距断层20 m时开始对前方煤岩体进行注浆加固。由于22103工作面日推进速度为3 m/d，作业制度采用三八制，因此注浆工作由检修班来执行。

图2 注浆孔布置示意

1) 根据22103工作面煤壁和顶板的破碎情况，确定注浆孔深度为6 m，孔径42 mm以上，封孔器的封孔位置距离孔口1.5～2 m。为了保证注浆效果，工作面采用双排钻孔设计，两排钻孔分别布置在距工作面顶板1 m处和距工作面底板2 m处的位置，第一排钻孔和第二排钻孔分别与水平位置成15°、5°的仰角。

2) 通过马丽散的渗透性及其有效注浆半径为2.5 m，在充分保证注浆效果的前提下，确定注浆孔间距为4 m，且两排钻孔呈倒三角式布置。

3) 合理的浆液注浆量是保证注浆效果的关键因素。根据现场试注效果的观测以及理论计算确定单孔注浆量为410 kg，且采用间歇式注浆方式。

4) 注浆压力的确定对注浆效果起着显著作用。压力过高会导致劈裂，造成浆液流失，且煤壁处易产生片帮现象；压力过低会导致浆液扩散半径减小，裂隙中浆液充填不密实，达不到注浆效果。根据以往注浆资料以及现场工作面试注试验确定注浆压力为12～14 MPa。

3.2.2 注浆效果

为检验注浆后工作面顶板煤岩体的破碎情况，采用钻孔窥视仪观测工作面顶板注浆前后的情况，如图3所示。通过注浆使得浆液扩散至工作面顶板的裂隙中并发生固结，浆液固结性较好，很好地填充了破碎围岩体的裂隙，起到了很好的加固作用，使破碎的顶板连接成一个整体，增加了其整体稳定性；工作面顶板以砂岩、泥岩为主，强度低，极易受断层的影响，加上开采扰动使顶板极其破碎，经常引发冒顶及压死支架现象，通过注浆有效杜绝了这些现象，使工作面顺利通过了断层区域。

图3 注浆效果观测

4 结 语

1) 针对工作面过断层区域顶板破碎严重，易引发冒顶及压死支架现象，提出了现场采用切割上盘顶板岩层，保留底板煤层过断层的方法；

2) 根据潞宁煤业22103工作面的实际情况，在分析注浆加固机理的基础上，选择马丽散为注浆材料，并设计了合理的注浆参数，对煤壁和顶板破碎严重的地方进行了注浆加固；

3) 通过对比注浆前后工作面顶板的注浆效果可知，注浆使得工作面顶板稳定性大大加强，注浆改善了断层区域围岩的物理力学性质和围岩的承载能力，为工作面过断层期间提供了安全保障。