综采面过断层泥质破碎带注浆加固技术研究

楚 超(同煤集团雁崖煤业公司， 山西 大同 037031)

1 前言

综采是现阶段煤矿最常用的开采技术，工作面开采遇到的断层、褶曲等构造，给煤炭的正常开采带来显著影响[1-2]。综采工作面过断层时，遇到的顶板冒顶、煤壁片帮、围岩控制困难等问题，如何保证综采工作面安全、快速通过断层时煤炭开采过程中需要解决的现实问题[3-5]。文中以山西某矿110203回采工作面为研究对象，根据现场实际条件提出合理的工作面过断层技术，并针对断层泥岩破碎带围岩控制困难问题，采用注入马丽散方式固结破碎岩体，有效解决围岩控制困难难题，现场应用取得显著效果。

2 工作面概况

2.1 地质概况

110203工作面开采2号煤层，赋存稳定，倾角5°～10°，结构复杂，中间夹杂有2～3层泥岩矸石(厚度在300～500mm)，是矿井的主采煤层之一。110203工作面采用综采方式，采高4.3m，煤层顶、底板以泥岩、粉砂岩以及砂岩为主。在工作面内有F18断层，断层落差为3.8m，断层在工作面风巷影响范围为51m，在机巷影响范围为18m，对工作面生产影响较大，具体断层位置如图1所示，断层岩性结构如图2所示。

图1 断层与工作面位置关系

2.2 采面过断层方案

F18正断层落差在3.8m，通过现场条件，决定采取平推硬过法过断层，为保留2号煤层底煤，采煤机截割顶板岩层，从而使得工作面直接顶与岩层直接接触，便于顶板岩层控制。F18正断层贯穿于整个回采工作面，走向、倾向角度分别为180°、70°，落差3.8m，起坡角7°，具体工作面过断层如图3所示。

图3 工作面过断层示意图

工作面液压支架起坡点位置可以根据式(1)计算

(1)

(2)

式中：H——断层落差，取值3.8m；

M——工作面采高，取值4.3m；α、β分别表示断层倾角(70°)、工作面起坡角(7°)。

将上述参数带入式(1)、式(2)，求得L1=29.57m，L2=28.11m。工作面起坡度点距离F18断层约30m位置处，即工作面推进至580m位置处开始起坡。

3 注浆加固技术

3.1 加固机理

工作面开采至断层附近时，采动影响下断层原岩应力平衡状态遭到破坏，应力重新平衡过程中加剧本已破损的岩层破碎程度，采面过断层时极其容易发生顶板冒落事故[6]。通过注浆，注浆浆液将破碎煤、岩体缝隙填充，提升煤、岩体的内聚力以及内摩擦角，形成网状骨架结构，提升岩层稳定性，确保工作面过断层破碎带时的安全[7-9]。

3.2 注浆材料

由于F18破碎带以泥岩为主，注浆选用渗透性、胶结性等较好的马丽散浆液。马丽散由催化剂以及树脂按照1∶1混合而成，待到两者混合搅拌后，黏度降低可注性显著提升，注浆浆液可以沿着裂隙扩散，实现段时间内凝结、加固煤岩体作用。

3.3 注浆工艺

在井下注浆具体分为注浆钻孔施工、钻孔封孔以及马丽散注入三个环节。钻孔施工采用煤锚杆机，注浆动力为井下压风。具体采取的注浆工艺如图4所示。

1—注浆管；2—专用封口器；3—注浆铁管；4—专用注射枪；5—高压胶管；6—注射泵；7—树脂材料；8—催化剂图4 注浆工艺设备组成及连接示意图

3.4 注浆钻孔布置设计

根据10203工作面顶板、煤壁破碎情况，在围岩较为破碎位置进行注浆加固，具体注浆钻孔布置如图5所示。为了确保工作面过断层期间安全进行，在与断层相距20m位置处就开始对煤、岩体进行注浆。10203工作面生产采用三八制，推进速度平均为3m/d，注浆工作在检修班进行。

图5 注浆钻孔布置示意图

(1)依据110203工作面围岩破碎情况，确定的注浆孔42mm、深6m，封孔1.5～2.0m。为提升注浆效果，布置双排注浆孔，上排钻孔开孔口位于工作面顶板下方1m处，钻孔倾角为15°，下排钻孔位于底板上方2m处，倾角5°。

(2)注入的马丽散浆液有效扩展半径为2.5m，为了保证注浆效果，设计的注浆钻孔间距为4m，上、下两排注浆钻孔布置呈现倒三角方式。

(3)注浆注浆量是确保围岩控制效果的关键参数，根据理论分析结果以及现场试注效果，确定单孔注浆量400kg，采取间歇注浆方式。

(4)注浆压力同样对注浆效果有显著影响，注浆压力过小会降低注浆浆液的有效扩展半径，注浆压力过大会引起煤、岩体劈裂，浆液流失严重。根据现场试注结果，确定注浆钻孔的注浆压力为4～6MPa。

4 注浆效果

为了对注浆后的采面围岩完整性进行验证，采用钻孔窥视对注浆前后的顶板岩层情况进行窥视，具体对比结果如图6所示。可以看出，采用马丽散注浆后，浆液在采面破碎围岩中扩展、固结效果明显，可以很好地填充破碎岩层裂隙，起到固结作用，增加围岩整体稳定性。工作面顶板在断层影响下完整性差、强度低，加之受到采动影响，极其容易出现冒落，甚至支架压死事故。采用注浆加固后，确保了采面顺利、安全通过断层泥质破碎带。

图6 注浆前后的顶板岩层窥视对比结果

5 结论

(1)根据110203工作面与断层位置关系，确定采用留底煤、割顶岩的过断层方式，并详细对工作面起坡点位置进行计算。

(2)受到F18断层影响，断层破碎带内为泥质砂岩、泥岩等，在分析注浆加固机理基础上，选择马丽散作为注浆材料，并设计了注浆钻孔参数。

(3)采用钻孔窥视仪对注浆效果进行检验，结果表明注浆后断层泥质破碎带内的岩层完整性得以显著提升，改善了泥质破碎带内的岩体物理力学参数，保证了工作面过F18断层时泥质破碎带安全。