大采高工作面安全过断层预注浆加固技术

王强强

（山西晋煤集团赵庄煤业，山西 晋城 048000）

煤矿井下地质条件复杂，开采过程中会遇到工作面过断层等工程问题。当工作面推进过程中遭遇断层或陷落柱等构造时，煤壁及顶板极不稳定，容易引发片帮、冒顶事故，影响安全生产[1-2]。目前在解决此类问题时，多采用化学浆液对其进行加固。化学浆虽性能优异，但其有毒，有腐蚀性，价格贵，且含有氯、磷元素等，对煤炭利用产生不良影响，只能当作应急材料，不宜大量推广使用[3]。而无机材料虽在性能上低于化学浆，但其低成本、环保等突出优势得到矿区大范围注浆的广泛使用[4]。本文针对晋煤集团赵庄矿5312 大采高工作面在推进过程中遇到断层问题，利用钻探孔精确掌握断层分布位置，设计注浆钻孔布置方案[5]，同时利用研发的高性能无机注浆材料对断层区域进行超前注浆加固，为解决工作面过断层问题提供了有效方法，同时也为相似工程提供借鉴。

1 工程背景

5312 综采大采高工作面位于赵庄矿五盘区，开采3 号煤层，工作面走向1623 m，倾向294 m，煤层平均厚度4.8 m，平均倾角3°，为一次采全高工作面。工作面共布置三条顺槽，其中53121 巷为工作面运煤巷、进风巷，53122 巷为工作面回风巷、辅运巷，53123 巷（原5311 工作面53112 巷）为工作面进风、辅运巷。

在工作面巷道掘进过程中揭露正断层F490，断层倾角约60°，落差0～10 m。由于断层落差较大，将影响工作面安全回采。为全面掌握断层分布、影响范围，对工作面地质构造进行槽波探测后，对断层区域施工了钻探孔，为工程施工设计提供依据。断层分布和探孔布置如图1 所示。其中，断层影响范围为工作面推进280～480 m，采用工作面硬推过断层方法。

图1 工作面布置及断层分布图

2 断层位置及钻孔设计

为使浆液能够起到固结破碎煤岩体的作用，在注浆前必须保证钻孔终孔位置进入需要加固的层位，这样浆液才能起到加固效果。即在注浆钻孔设计前，应先掌握断层上下盘煤岩体之间分布，之后据此调整工作面综采设备的机采高度等参数。同时，为保证注浆效果，根据探孔结果先对4 个钻探孔位置进行注浆钻孔设计，再依次对所有钻孔进行设计。利用打设的钻探孔来判断断层揭露情况，选取1#探孔、2#探孔、补2#探孔、5#探孔共4 个具有代表性的探孔进行分析。

2.1 机采高度范围设计

根据钻探孔分析结果，机采时支架上抬角度应尽量大，但上抬角度不宜超过10°，避免支架倾倒引发事故；当机尾距断层面距离在6 m 左右时，即可上抬进入下盘煤。部分探孔钻孔布置示意图如图2 所示。

图2 部分探孔钻孔布置示意图

2.2 注浆钻孔设计

根据断层在工作面的分布情况，确定本次注浆实施范围为回采进度的280～480 m，以关键探孔参数为基础进行其余钻孔设计，来适应断层分布的空间差异性，保证注浆加固效果。

为不影响工作面正常回采，选择在53121 巷的巷帮布置钻孔。为提高注浆效果、节约钻孔施工量，钻孔设计为上、下两排，呈“三花”布置。上排孔孔高2.0 m，为加固断层影响区域顶板破碎煤岩体，上排钻孔终孔位置应位于顶板上方1.0 m 范围内。下排孔孔高1.1 m，为保证浆液扩散在破碎煤体中，钻孔终孔位置保证在机采高度范围内，其深度应进入下盘煤10 m 左右。上、下两排钻孔间距10 m，孔径均为75 mm，孔深45～75 m。以1#探孔断层分布为例，如图2 所示。钻孔设计平面图如图3 所示。

图3 注浆钻孔布置平面图

3 注浆材料及注浆时机选择

3.1 注浆材料选择

由于在注浆过程中是对工作面断层区域进行预注浆，因此对注浆材料的性能有较高要求。对于深孔预注浆工程，由于钻孔深度大，浆液需具备良好的流动性才能到达注浆加固区域，同时还应保证浆液在输送、流动过程中不发生泌水等浆液性能折扣现象。同时，超前注浆区域多位于塑性区，该区域围岩裂隙发育不完全，存在微小裂隙，因此，为保证浆液起到加固大多小裂隙的效果，注浆材料应为超细颗粒浆液，配合注浆高压力的作用，深入微小裂隙。本次预注浆施工在大采高工作面，推进速度快，因此，浆液在固化后应具备早强特性，在工作面推进至断层区域时，固结后的煤岩体具备较高的强度，防止片帮冒顶事故发生。

针对以上分析，本次注浆加固采用晋煤集团研发的联邦加固高性能注浆材料。该注浆材料为单液超细水泥，材料细度达1250 目，在使用时按照水灰比0.6:1 加水搅拌，1 h 内不发生泌水现象，仍具备良好流动性，在2～3 h 内浆液逐渐稠化直至完全失去流动性，约10 h 完全固化，其固结体1 d 抗压强度16 MPa，3 d 抗压强度26 MPa，7 d 抗压强度可达32 MPa。该材料失流、硬化和固结体强度参数等性能能够很好地满足深孔预注浆需求。

由于围岩浅层区域比较破碎，在注浆过程中会出现漏浆情况，而上述单液材料失流时间较长，不能很好地进行堵漏，同时也会造成钻孔深部注浆量过小，折扣注浆效果。为此专门研发一种双液注浆材料，该材料由两种无机矿粉组成，在水灰比1:1的条件下混合后，能够在2～5 min 左右失去流动性，20 min 后即可硬化，2 h 强度可达8 MPa。在注浆过程中，可先对围岩破碎区域使用双液材料进行注浆，提前形成浅部止浆层，为深部注浆提供密闭空间，提高深部注浆量，优化注浆效果。

3.2 合理注浆时机选择

由于工作面超前支承压力的存在，煤壁前方不同区域煤岩体破碎程度不同。现场观测在工作面0～20 m 左右的超前支承压力上升区围岩裂隙发育程度高，可注浆量大，但由于距离工作面过近，裂隙贯通条件下的煤壁容易出现漏浆情况。在工作面前方55 m 左右以外的范围内，围岩不受超前支承压力影响，裂隙不发育，可注性较差。而工作面前方20～55 m 的超前支承压力下降区域，围岩受支承压力影响，出现一定张开度的裂隙，在此时进行注浆，注浆压力适中，可适当提高注浆量也可避免漏浆现象，同时也可为注浆材料提供充分的强度增长时间。

因此确定合理注浆时机在工作面前方25～45 m处，随着超前支承压力影响范围的前移形成移动注浆。

3.3 注浆参数

对于深部注浆，应达到劈裂微小裂隙的注浆效果，注浆压力应在25～30 MPa 之间。在注浆堵漏时，应适当减少注浆压力至3～8 MPa，堵漏完成后开始增加注浆压力。

4 注浆效果考察

为检验注浆效果，在工作面过断层期间进行推进速度统计，根据结果将工作面推进阶段分为五个区域进行分析。注浆前后推进速度统计如图4 所示。

5312 工作面正常回采推进速度为3 m/d，随着工作面进入影响区域，工作面平均回采速度逐渐下降至1.36 m/d；当工作面机尾开始揭矸时，平均回采速度下降至1.18 m/d；在工作面大部分揭露断层时，工作面共发生3 次片帮、冒顶现象，由于消耗部分时间处理冒顶，工作面平均回采速度降至0.88 m/d。

进入注浆区域后，工作面未发生冒顶，最大片帮深度0.5 m，连续架次不超过3 架，回采顺利，平均推进速度提升至1.35 m/d，工作面日产提升了53.4%；工作面揭露断层结束后，推进速度达到正常的回采速度。

图4 注浆前后推进速度统计

5 结论

（1）利用钻探孔判断工作面断层的分布情况，预测了下盘煤位置，确定了采高范围，并以此设计了具体的注浆钻孔参数。

（2）根据深孔注浆和浅层堵漏需要，研发了高性能单液注浆材料和双液堵漏材料，优化注浆加固效果。分析确定了工作面前方25～45 m 为工作面过断层期间的合理注浆时机，随着工作面的推进形成“移动注浆”。

（4）经过对断层区域超前深孔注浆加固，有效减少了工作面的片帮、冒顶事故的发生，实现了工作面安全、快速过断层。