青云煤矿综采工作面过断层带注浆加固技术研究

任志强

（山西介休义棠青云煤业有限公司，山西 介休 032000）

1 工程概况

青云煤矿020204 综采工作面主采2#煤层，厚 度2.3～2.7 m，平 均2.5 m；煤 层 走 向260°～270°，倾角10°～16°，平均13°。2#煤层为稳定的大部可采煤层，由东到西具有厚薄相间的变化趋势，煤层结构简单，含3 层矸石，夹矸岩性以泥岩、砂质泥岩为主，煤硬度1～2，回采时容易片帮。煤层顶底板具体岩性情况见表1。

表1 煤层顶底板结构

020204 综采工作面位于二采区，地面标高+930～+1030 m，井下标高+361～+394 m。工作面倾向长度190 m，走向长度316 m。工作面东为推进方向，西为井田边界，南为实体煤层，北邻020201面采空区。根据掘进过程中上下顺槽及切眼揭露情况，020204 运输顺槽揭露落差1.7 m 的F1 正断层，走向75°，倾角56°。工作面回采过该断层时，可能出现煤壁片帮、顶板冒落等事故，需提前对工作面围岩进行科学合理控制。

2 过断层带时工作面稳定性分析

为明确断层构造对工作面围岩稳定性的影响，通过数值模拟结合现场实际监测数据进行研究分析。

2.1 数值模拟分析

采用COMSOL 数值模拟软件对断层处工作面围岩应力分布情况进行模拟分析。为使模拟结果尽可能准确，在巷道内对围岩进行钻孔取芯，带回实验室进行物理力学测试，试验情况如图1。

图1 岩层物理力学测试

每组试验均为3 个岩样进行测试，岩样制为直径20 mm、长度300 mm 的圆柱体，测试结果见表2。模拟中的煤岩层物理力学参数均按表2 进行赋参。

表2 煤岩体物理力学参数

模拟时不考虑温度场影响，主要为渗流场及应力场。模拟结果如图2。

图2 工作面应力分布云图

由图2 可知，工作面的应力集中主要在断层处，这是由于断层存在自由面，应力在自由面容易集中。断层处的围岩在应力集中的作用下，裂隙逐渐发育扩展，易引起失稳、煤壁片帮，最终导致工作面垮塌、压架等事故发生。

断层处最大集中应力为45 MPa，竖向集中范围为5 m，水平方向上35～45 MPa 应力集中区域长度为40 m，主要靠近运输巷一侧，回风巷一侧应力相对平稳。因此，运输巷侧断层位置附近40 m 范围内的顶板岩层容易出现垮落情况，这是垂直应力和水平应力共同作用的结果；回风巷一侧的顶板受运输巷顶板垮落的影响，也会出现局部垮落的现象，最终导致工作面围岩整体失去平衡。

2.2 支架压力监测分析

工作面单个支架宽度1.5 m，共计126 架，统计出各支架压力的监测数据，得到过断层前工作面支架压力统计图如图3。

图3 注浆前支架压力分布

由图3 可知，支架压力的波峰出现在第60#支架处，该支架与回风巷的距离为100 m，与运输巷的距离为90 m，波峰支架压力为42 MPa。根据整体应力分布情况可知，运输巷一侧，支架压力由15 MPa 增长至42 MPa，压力平均每米增长0.3 MPa；回风巷一侧，支架压力由42 MPa 降低至20 MPa，压力平均每米降低0.22 MPa。运输巷一侧支架压力变化率为回风巷一侧的1.36 倍，这是由于断层的影响导致了工作面倾向上的应力分布不均匀。

3 断层影响区注浆加固技术[1-5]

3.1 注浆加固材料

根据现场条件及断层产状，选用无机复合注浆加固材料，该材料具有以下特点：

1）材料凝固后强度较高。在现场选取破碎煤岩体及部分矸石，将碎石与注浆材料一同置入方形容器内，待浆液固结后，对固结煤岩体进行单轴压缩试验，试验结果如图4。由图4 可知，破碎煤岩体经注浆材料加固后的稳定性及完整性较强，其单轴抗压强度能达到22 MPa 左右。

图4 固结体单轴压缩试验

2）注浆材料的流动性强、扩散范围较广。材料颗粒粒径较小，扩散范围能达到10 m 以上。

3）浆液固结后状态较稳定。浆液完全凝固的时间为8 h，浆液凝固后的胶结率可达到100%，且泌水率较低，状态稳定；浆液的水灰比控制在0.3～0.4之间，可有效解决破碎煤岩体遇水软化的问题。

3.2 注浆钻孔布置

F1 断层靠近020204 运输巷一侧，在断层附近运输巷内布置钻孔，进行围岩注浆加固。如图5。

图5 注浆钻孔布置方案（m）

在运输巷内共布置2 排钻孔，均垂直于采煤帮施工，上下两排钻孔呈三花眼状布置，孔间距均为3 m。第一排钻孔距底板1.0 m，第二排钻孔距底板2.5 m，两排钻孔距离为1.5 m。在断层影响区前30 m 范围内，注浆钻孔的深度控制在35～50 m 之间，在断层影响区后10 m 范围内，注浆钻孔的深度控制在25～35 m 之间，钻孔终孔位置需打入断层另一盘的稳定岩层中。注浆钻孔的直径均为38 mm。

注浆压力对浆液的扩散及注浆量影响较大，根据以往类似工程经验，注浆压力为静水压力的2 倍左右时的注浆效果较好。考虑到断层处围岩较为破碎，需适当减小注浆压力，防止浆液冲出。根据现场实际情况，确定注浆压力为3～5 MPa，单个钻孔的注浆量应保持在160～230 m3之间。现场采用气动注浆泵，配套高压胶管及混合枪头进行注浆施工。

3.3 封孔工艺

注浆钻孔施工后，需对孔口进行封堵，若采用传统的止浆塞进行封孔，会出现浆液外溢，因此，考虑采用两堵一注的封孔方式进行封孔。单个孔的封堵长度为3 m，主要包括孔口管和两端麻绳。注浆时，浆液通过孔口管注入两麻绳之间，麻绳可以起到降低浆液外溢的效果，以此起到孔口封孔作用。

4 围岩控制效果分析

在020204 运输巷内共计布置30 个注浆钻孔来加固F1 断层影响区。采煤面推进至注浆加固区时，工作面围岩整体较为稳定，工作面的推进速度未受影响。提取工作面支架压力的监测数据，并制成压力分布图如图6。由图6 可知，对断层影响区进行注浆加固后，工作面支架压力整体分布较均匀，未出现大幅度变化的情况，支架压力在20～30 MPa 之间，未出现顶板冒落、煤壁片帮现象，支架与顶板能够密切接触，应用效果良好。

图6 注浆后支架压力分布

5 结论

1）通过COMSOL 数值模拟软件分析了工作面过断层时应力分布情况，得出断层带最大集中应力45 MPa，竖向集中范围5 m，水平方向35～45 MPa应力集中区域长度40 m，主要靠近运输巷一侧。

2）注浆加固后现场推采时，对支架压力进行了监测分析。数据表明，支架压力波峰出现在第60#支架处，该支架与回风巷的距离为100 m，与运输巷的距离为90 m，波峰支架压力为42 MPa。工作面支架压力分布均匀，围岩控制效果良好。