深孔注浆技术在断层注浆加固中的应用

成 鑫

（潞安集团慈林山煤业公司夏店煤矿，山西 长治 046000）

断层是井工开采煤矿最常见的地质构造之一。对于矿井常见的中小型断层而言，其不良影响有限，但又不能忽视[1-4]，需要对断层及其影响带进行改造。如果确定断层不导水、不含水，则需要对其破碎区域进行注浆加固，防止在回采过程中发生片帮、冒顶事故。

1 工程概述

夏店煤矿1301 工作面位于13 采区，主采3#煤层，为走向长壁工作面，采用综合机械化放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板。工作面走向长886 m，倾向长220 m，煤层厚度0～6.3 m，平均5.5 m，煤层倾角2～5°，平均3°。工作面布置三条巷道，分别是上巷（回风巷）、下巷（胶带运输巷）和辅助运输巷。

工作面下巷在掘进过程中揭露DF35斜交断层，位于切眼向外630 m 处。断层落差0～5.5 m，倾角75°，工作面内延伸长度约220 m。落差超过5 m，局部可将煤层全部断开，工作面上巷未揭露该断层，推测在工作面内部尖灭。由于该断层落差大，揭露区域顶板岩层破碎且影响范围广，因此，预测在回采通过该断层破碎带时极易发生片帮、冒顶事故，威胁工作面安全高效生产。

2 断层探查孔设计与施工

为了准确掌握断层在工作面的具体展布情况，为调整综采支架倾角和注浆钻孔设计提供依据，在工作面下巷施工探查钻孔。共设计探查钻孔4 个，分别为1#、2#、3#、4#钻孔，钻孔位置分别位于切眼后退470 m、520 m、570 m 和620 m。根据钻孔揭露情况，又补充设计钻孔补2#孔对DF35 断层进行加密探查。根据钻孔探查资料，绘制工作面断层展布平面图如图1 所示。

由于断层落差较大，受其影响，煤层在断层两侧局部完全断开。工作面在回采过程中，综采支架将由断层上盘进入断层下盘，会切割煤层顶底板，部分依次发生倾角变化并长期处于半煤岩（全岩）状态。为了明确注浆范围，保证机采区域得到有效加固，必须根据断层剖面图设计工作面支架上抬次序和角度，为注浆提供明确靶区。在回采过程中支架上抬幅度要大，以减少支架在断层影响区域穿过的距离。

图1 DF35 断层探查工程示意图

3 注浆钻孔设计与施工

注浆钻孔设计原则：根据断层探查情况，按照最短路径原则分别在上、下巷设计注浆钻孔，切眼向外450～500 m 处在上巷内帮开孔，切眼向外500～620 m 处在下巷内帮开孔。上下巷注浆钻孔均设计为两排，相邻上、下钻孔错开5 m。其中下排孔距底1 m，终孔位置设计在机采范围内，并穿过断层下盘煤体10 m 以上；上排孔设计距底2 m，深度至少穿过断层面10 m，终孔位置设计在机采范围顶部1 m 内。

以2#探查钻孔附近的注浆孔为例分析注浆方案，具体工作面机采范围和注浆钻孔设计如图2 所示。

图2 机采范围及注浆设计示意图

钻孔设计：断层注浆范围为切眼后退450～620 m，合计170 m 长度。上、下排钻孔间隔分布，孔间距5 m，共设计钻孔37 个，孔深55～130 m。上下巷钻孔设计相同。剖面图如图3 所示。

4 深孔注浆材料选择和注浆参数

4.1 深孔注浆特征分析

（1）注浆钻孔深度较大

钻孔深度越大，浆液在孔内流动的时间就越长，则对浆液的流动性要求越高，同时需要具备较好的悬浮性，避免浆液沉淀。

（2）深孔注浆裂隙发育一般

深孔注浆区域远离松动圈，超前注浆时受采动影响较小，裂隙在应力作用下通常呈封闭状态，开度较小，裂隙连通性差。所以要求注浆材料颗粒要细，以便渗入微小裂隙中，同时可利用高压注浆打开裂隙，增加注浆量。

（3）注浆工期短

注浆工程要在距离切眼一定距离内进行，因此在快速回采情况下注浆材料需具备快速凝结固化、快速硬化特性，提前达到预固结效果。

4.2 注浆材料选择

根据深孔注浆特征，本次注浆选取超细水泥注浆材料，细度可达1250 目，混合水灰比为0.6:1。材料为单浆液材料，加水混合后，30 min 时间内具备较好的流动性，2～3 h 后失去流动性，约10 h 后完全固化，之后强度迅速增加。1 d 后抗压强度达到16 MPa，3 d 后抗压强度达到26 MPa，7 d 后抗压强度达到32 MPa。

4.3 注浆参数确定

注浆时间确定：超前切眼50 m 范围内，煤体及围岩受到采动影响，裂隙发育程度较高，连通性较好，吸浆量大。但在超前切眼20 m 范围内进行高压注浆易跑浆，且施工工期紧张，因此确定切眼超前20～50 m 范围内为最佳注浆区域。注浆工程随着工作面回采进度逐步开展。

注浆压力选择：注浆压力要足以扩展注浆范围内的裂隙，通过理论分析和现场试验，确定注浆压力为25～30 MPa。

图3 注浆钻孔设计剖面图

5 工程量及注浆效果

5.1 工程量

本次断层深孔注浆改造工程共施工钻孔37 个，实际进尺3700 m，共消耗注浆材料135.5 t，单孔注浆量达3.7 t，单孔最大注浆量达10.2 t。

5.2 注浆效果

在正常情况下工作面每天可推进3 m，工作面回采进入断层影响范围后，在注浆区前50 m范围内，工作面煤墙局部成型差，共发生片帮、冒顶4 次，片冒范围较大，大大延缓了工作面推进进度，工作面平均每天回采不足1 m。进入注浆加固区域后，工作面片帮、冒顶情况大大减轻，最大片帮深度不足0.5 m，长度不超5 m，对回采影响较小，工作面平均每日可回采2.5 m 左右。注浆效果如图4 所示。

图4 注浆加固范围煤墙效果图

6 结论

（1）通过探查钻孔对断层展布情况进行精确探查，并进行机采范围预测，为注浆钻孔设计提供依据。

（2）深孔注浆选用超细、流动性悬浮性好的注浆材料，同时具备快速凝结和高强度特性。

（3）超前切眼20～50 m 范围内即受到采动影响裂隙较发育，吸浆量大，注浆效果好，同时也可避免工期紧张和工作面切眼漏浆情况的发生。

（4）回采验证表明，利用超细单浆液水泥注浆材料进行断层深孔注浆加固技术对断层破碎带的治理效果较好，大大提高了回采效率，并最大限度地保证了回采安全，具有较高的经济效益和安全效益。