3302综放工作面过构造带注浆加固技术应用

暴 斌

（山西兰花科创公司伯方煤矿分公司，山西 高平 048400）

井工开采条件下，工作面推进过程中经常会遇到陷落柱、断层等构造带，受复杂地质影响，煤岩体出现破碎程度低、整体强度低等情况，加上近年来采矿技术不断发展，工作面采高呈逐渐加大趋势，致使工作面及巷道围岩应力集中更为明显，在采动影响下，煤岩体强度降低、变形破碎。破碎的顶煤或围岩裂隙贯通，发生松动失稳变形[1]，容易出现垮落、漏冒等情况，导致巷道支护困难，工作面推进时顶板管理难度大，严重时导致重大灾害事故发生，必须加以控制。

通过超前注浆加固技术的应用，原有裂隙被有效填充，破碎的岩块被胶结到一起，顶煤及围岩体强度增大，整体性得以提高，围岩自身的承载能力得到进一步发挥[2]，变被动支护为主动支护，能够改善构造带附近的应力分布，减少应力集中造成的压裂效应[3-10]。在实践中，采用原有瓦斯抽采孔补钻加深作为注浆孔使用的方式，减少了钻孔施工量。实践结果表明，回采过程中顶煤整体性明显变好，破碎岩块胶结成体，垮落减少，钻孔窥视可见岩体内部平滑完整，注浆加固技术的应用达到了预期目标，为同类型工作面过构造带的支护及顶板控制提供了参考方案。

1 工程概况

伯方煤矿位于山西省晋城市高平市寺庄镇，年产能210万t，矿井采用斜井开拓，综放工艺，属高瓦斯矿井。

3302综放工作面是三盘区首采工作面，对应地面标高＋950～ +1045 m，煤层标高＋554～ +683 m。工作面走向长1710 m，倾斜长195 m，西邻矿界，北、东、南三向与村庄相邻，四周均无采空区。工作面平均煤厚5.3 m，煤层倾角5°～12°，赋存稳定，结构简单，中部夹矸约厚0.04 m，层理、节理为中等发育，煤层普氏系数f=2～3。煤层顶底板岩性描述详见表1 。

表1 煤层顶底板情况表

3302工作面地质条件复杂，区域内有X01～X05等椭圆状陷落柱5个，分别位于走向长度478 m、900 m、1045 m、1065 m、1576 m处，除X03外均在工作面煤柱内。工作面走向长度520～640 m范围内有一处落差达1.5～2 m的正断层。通过电子钻孔窥镜可见，以上构造带附近，煤岩体整体性差、较为破碎，顶板管理难度大。构造带区域结构形态如图1。

图1 构造带区域结构形态窥视图

2 注浆加固技术原理

2.1 理论基础

理论上主要有三种方式。一是高压渗透作用，在注浆泵的压力作用下，浆液渗入破碎的裂隙内部，既发挥填充裂隙作用，浆液凝结后将岩块胶结到一起，也发挥了胶结作用；二是压密实作用，在持续高压作用下，大的裂隙被填充，小的裂隙被挤压紧实；三是劈裂作用，当注浆压力持续增大，裂隙被填充后继续膨胀，直至劈裂，对于放顶煤来讲，起到了预裂的作用，提高煤炭放出比例。以上三种方式，均是在高压注浆作用下，经注浆孔进入构造带逐步实现。

2.2 加固原理

上述三种理论作用的结果，一方面改善了围岩整体性，极大地提升了围岩的自身支承能力；另一方面，发挥了填充裂隙的作用，孔隙率的降低，使得岩体的强度有效增大；第三个方面，纵横交错的裂隙被浆液替换后，凝固后的浆液也形成了一个网络化的骨架，迫使应力重新分布，有效分散了集中应力。在以上三种作用下，顶煤及围岩更加稳定，避免了顶板破碎导致的漏冒、垮落，同时也不影响回采过程顶煤的放出。

3 实践应用

3.1 注浆材料

目前常用的注浆材料有三种，分别为水泥黏土浆等惰性材料、水泥水玻璃等无机化学材料以及聚氨酯等有机化学材料，其中以前两者最为常见。考虑成本以及3302工作面构造带较为复杂，注浆范围较大，选用水泥水玻璃双液为本次实践的注浆材料。

3.2 注浆参数

（1）注浆压力。合适的注浆压力对注浆效果影响极大，该参数的确定需要参考埋深因素。根据经验，单孔注浆压力可以参考式（1）计算得出：

P=（2.5～2）H×r/100 （1）

式中：P是单孔的最大注浆压力，MPa；H代表煤层埋深，m；r是水的密度，取1。据此，3302工作面注浆压力约为4 MPa，上限为5 MPa。

（2）浆液配比。水泥浆与水玻璃浆液按照1:0.1～1:0.6的比例进行混合使用。

3.3 注浆站布置

根据工作面地质资料，断层位于工作面走向长度520～640 m范围内，在560 m、600 m位置分别在3302运输顺槽、3302回风顺槽各布置1个注浆站，布置扇形分布钻孔2组，构成1#、2#注浆通道。每个注浆通道内布置1组2排5个钻孔，根据断层走向，设置钻孔参数。同时，为了减少钻孔施工量，可利用工作面原有的瓦斯抽采系统，通过补钻加深钻孔深度，形成注浆孔。注浆站及注浆通道布置示意如图2，注浆站内钻孔布置如图3。

图2 注浆站及注浆通道布置示意图

3.4 成效检验

（1）现场勘查。工作面回采过程中，对顶煤完整程度及漏冒、垮落情况进行了现场勘查。可见，工作面支架煤壁附近漏冒发生较少，顶煤完整度较好，支架后方放出煤块可见泥浆胶结，说明注浆加固发挥了胶结作用。

（2）钻孔检测。为了确保前后对比变量一致，选取距巷道帮部30 m深位置进行钻孔窥视，结果可见，煤岩体内部裂隙填充完好，整体性较好。

4 结语

（1）注浆加固技术可通过高压渗透、压密实、劈裂三种作用，降低围岩孔隙率，改善围岩整体性，构成网络化骨架，以提高煤岩体的稳定性和整体性，提升其自身支承能力。

（2）通过式（1）来得出注浆压力的范围，避免盲目设定过大注浆压力，造成劈裂或压力不够达不到预期效果。

（3）现场勘查可见，工作面支架煤壁附近漏冒发生较少，顶煤完整度较好，支架后方放出煤块可见泥浆胶结，说明注浆加固发挥了胶结作用。钻孔检测可见，煤岩体内部裂隙填充完好，整体性较好。成果表明，在综放工作面构造带采用注浆加固，能够有效解决煤岩体破碎、完整度差的问题。