探究采矿工作面过断层破碎带注浆加固技术

摘 要：为了能够让工作面快速安全地穿过断层破碎带，使用马丽散这种复合材料对较为高档的普采工作面的破碎顶板进行提前加固操作，相比于上钢梁、导硐施工或者是做假顶等传统技术，这种运用复合材料进行注浆加固可以有效地减免顶板围岩的垮落，并且能够为搭建工作面单体支护争取时间和空间，安全高效地对顶板进行管理。该加固技术的施工工艺易于操作，并且具有显著的技术经济利益。

关键词：工作面;断层;注浆加固技术;马丽散

断层的出现会导致工作面顶板或者围岩破碎等难以控制等状况，通常会造成冒顶甚至压死支架的严重事故，最终导致工作面不能正常开采，降低工作生产效率。只有解决顶板围岩的相关问题，才能在工作面断层正常开采。本文作者以阳煤一矿81210工作面过断层的问题作为实际案例进行探索研究。提出采取保留底层煤层过断层的策略，并根据将上盘顶板岩层进行切割的方法，将马丽散注入到顶板破碎位置，有效解决工作面出现顶板碎片的问题。

1 工作面概况

81210工作面所处位置为15#煤层，稳定性较高，但是其结构相对复杂，并且含有夹矸7层。具有6.6 m煤层厚度，2°至4°煤层倾角。基本顶由砾岩和中砂岩互层组成，所对应的直接顶是4.98 m泥岩及砂质泥岩构成。老底由厚度为7.5m的粗砂岩组成;厚度为4.1 m的高岭岩作为直接底。81210工作面煤层可以归属于单斜岩层，常规来讲东南位置较低，反之，西北位置相对高一些，整体来说，其坡度相对平缓，而回采区域岩层的结构相对简单，头顺槽巷在掘进过程中揭露正断层共计8条，结果见表1。对比发现F2断层的位置处于回采区，其长度为190 m，与之对应的倾向为SE，走向为175，大致与工作面在一条直线之上，所以工作面只可以应用正过。综上，F2断层是对工作面影响最大的，由此以F2断层为参考目标，探究工作面过断层的技术和工艺。

2 注浆加固技术

2.1 注浆加固技术机理

当工作面靠近断层所在位置时，断层岩层可能会发生破损，应力会再次进行分配。会出现围岩层不稳的状况。断层的存在也会导致围岩破碎地更为剧烈，使工作面顶板破碎的更为严重。工作人员就可以在破碎煤岩体进行注浆操作，岩浆就可以通过围岩间的裂隙进行扩散。随后，煤体和岩体产生胶结，煤岩体强度得到一定提升，致使注浆区域的力学强度有效提高。

2.2 注浆材料的选择标准

马丽散具有良好抗渗透性能，可提高注浆区域的力学强度。注浆时可选择马丽散作为注浆材料，将树脂材料和催化剂以1：1比例完全混合后，浆液的粘度会有所下降，能够沿着岩体裂缝进一步扩散。马丽散具有较短的凝固时间，可以短时间内大幅度提高煤体的支撑强度。选择马丽散注浆操作的原因是：①操作工艺简单易行。多功能注浆泵的体积较小，且重量较小，一般两人操作即可;②注浆前，无须进行喷浆来封闭巷道帮顶;③对专用封口器应合理设计，使封口操作简单且节约时间;④注浆原料（马丽散树脂与催化剂）均用塑料桶进行包装，便于搬运和施工。

2.3 过断层方法

2.3.1 制定工作面过断层方案

图1可知，断层最大落差是4.0 m，工作人员须在现场对过断层进行上盘顶板岩层切割操作，由断层的具体方法选择性地对底板煤层进行保留。因为F2断层对工作面回采工作有较大影响，而该断层可归于贯穿工作面范畴，走向角度和倾角角度分别为175°和78°。可依照以下公式对支架起坡点位置进行计算：L1=H（1/tanβ-1/tanα），L2=L1- tan/M，其中H为断层断距（m）;M：工作面采高（m）;β：起坡角度（°）;α：断层倾角（°）。经计算：L1为26.3 m，L2为24.1 m。由此可知应将工作面的支架起坡点放置于顶板所处的位置，同时应当距离断层面约为27m。

2.3.2 注浆方案

通过分析81210工作面煤壁和相应顶板上的注浆孔分布与参数，在煤壁与顶板之间进行注浆操作。工人可在距离断层20 m位置注浆操作，保障工作面开采效率。①对工作面煤壁和与之相对的顶板分析，能够在煤壁与顶板之间进行注浆操作，注浆孔的深度可达到6m，孔径可达到42mm以上。和封孔器相对应的封孔位置可距离孔处范围为1.5m至2m。可以在工作面位置上进行双排钻孔，高效改善注浆效果。两排钻孔距离工作面顶板和底板位置分别为1m和2m。其中，第一排孔与水平位置的设置为15°，第二排孔仰角设置为5°;②由于马丽散具有良好的渗透性，其注浆半径可达到2.5m，当完美实现注浆效果时，可把注浆孔的间距设定为4 m，并且两排孔以倒三角形进行排列;③实践证明，保证注浆效果关键在于准确保证浆液注浆量。实践经验表明，单孔注浆量设置为410kg时，还须间歇进行注浆;④适当提高注浆压力使注浆效果显著提升。不合适的压力会造成劈裂、减小浆液扩散半径等事故。经过实践和查阅相关文献可以发现，注浆压力压强的范围为：12 MPa到14MPa。

2.3.3 现场注浆效果

为了解注浆后工作面顶板煤岩体位置的具体破损情况，笔者利用钻孔窥视仪对注浆前后变化情况认真观察。裂缝经注浆后，其硬度加强，工作面位顶板位置的浆液固结性能较好，对破碎的危岩体裂纹进行填充，起到加固的良好效果。工作面顶板由砂、泥岩组成，其轻度较低，通常会影响到断层，会产生冒顶甚至压死支架的情况，要依靠注浆操作来改善。

3 实践分析

工作面過断层顶板破碎较为严重，甚至出现冒顶及压死支架等情况，所以在现场进行切割上盘顶板岩层这项操作。在分析81210工作面状态后，以注浆加固原理为基础，本论文作者在注浆时利用马丽散树脂，且选取适当的注浆参数，实现对顶板破碎位置加固。对比注浆前后顶板工作面的状况，注浆操作增加顶板的稳定性。注浆操作有效提升断层位置的力学性能，为过断层阶段提供安全性保障。

综上所述，实践证明使用马丽散这种新型的化学加固材料和响应的加固技术，及时对松散的围岩结构进行加固，从而对岩体的整体强度有所增强。提高施工的安全性与可靠性，增加割煤速度，保证工作面的循环效率;可应用于煤矿采煤工作面存在异常情况。该技术还可应用在煤炭生产过程的其他步骤，例如：采煤片帮或冒顶这种顶板破碎严重的情况。所以，使用马丽散树脂及相关加固技术被大力推广，不仅对安全有所保障，减少因瘦断层或者顶板破碎对采煤工作出现停产，跳面或者搬家的影响生产的紧急状况，还能够节省时间，提高生产效率和经济效益。

参考文献：

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[3]徐刚.大采高综采工作面过断层技术研究[J].山西能源学院学报，2019（03）：96-98.

作者简介：

徐卫华（1977- ），男，本科，采矿助理工程师，阳煤中小企业投资管理集团第一有限公司总经理。