综采工作面过断层带分步预注浆方案设计及应用

续盛磊

（汾西矿业集团安全管理部，山西 介休 032000）

0 引言

断层是地壳受力发生断裂，沿断裂面两侧岩块发生的显著相对位移的构造，在我国井工煤矿中极为常见，矿区分割、井田边界、采区设计、工作面布置往往也需要遵循大小断层的分布状况，同时，断层对井下采煤工作的影响往往也较大，需要在生产过程中高度重视。断层的主要影响在于，断层线周边应力状况复杂且分布应力集中区，煤岩强度低、完整性差，而且当断层受到采掘工作扰动时，就会产生活化效应，应力重新分布，给采掘围岩支护带来更多不确定因素，造成顶板等围岩事故频发。因此，对于工作面过断层工作，国内外学者及一线从业者也都进行了大量的研究，除了常规的破顶破底过断层、平推硬过断层、采取拉超前架或架前支护等特殊措施外，对断层带实施注浆加固或马丽散封堵是较为有效且常用的技术措施，得到了业内广泛认可[1-4]。针对汾西矿业集团某矿1123（全文简称1123）综采工作面过4 号断层影响区的顶板控制难题，设计采用分步预注浆措施加固断层带内的破碎煤岩，确保工作面安全推过4 号断层影响区。

1 工程概况

1123 综采工作面位于矿井东一采区，工作面标高范围为-505～-441 m，主采3 号煤层，煤层平均厚度5.5 m，平均倾角10°，采用综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板。工作面为双巷布置，材料顺槽进风，运输顺槽回风，工作面倾向长度160 m，走向长度1 350 m。工作面顶底板条件为：有平均厚度3.5 m的直接顶，泥岩岩性；平均厚度5.5 m 的老顶，粉砂岩、砂岩岩性；平均厚度2.2 m 的直接底及平均厚度4.6 m 的老底，泥岩、炭质泥岩岩性。

地质说明书显示，工作面范围内煤层分布不均衡，厚度范围介于1.7～13.5 m，总体情况为中间低、两端高，且探测显示工作面范围内有8 个地质状况异常区，其中尤以4 号区最为典型，分布有相互交错的3 条正断层，断层分布及产状参数如表1 所示。整个4号区影响范围达到70 m×160 m，需要就过断层工作进行专项研究。

表1 断层分布及产状参数表

分析4 号断层影响区，F-17 断层落差大、影响范围大，自工作面上顺槽贯彻至下顺槽，另外两条断层与F-17 断层相互交错，断层分布及构造复杂，且煤层顶底板受断层切割，顶板破碎程度高，煤层破碎且厚度变化大，局部煤层尖灭，给采煤工作及采掘空间支护工作带来较大挑战。同时，对4 号区域的应力环境进行数值模拟测试及分析发现，当断层附近围岩未收采掘工程扰动时，其应力环境整体处在一个较高的水平，局部为应力集中区，且断层带上的岩体发生不同程度的塑性破坏。随着采掘活动的进行，断层附近的原始平衡状态发生改变，围岩原始弱面、节理逐渐扩张，形成新的及更大的裂隙，塑性区也不断扩展，并向采掘空间发生位移，造成支护载荷及支护难度的增加。

2 断层破碎带注浆加固方案设计

2.1 注浆加固方案设计原则

采煤工作面超前预注浆加固顶板技术是通过地质勘探手段精准探测地质构造、顶板异常区后，根据不同类型地质构造在进、回风两顺槽相应位置设计施工不同孔深、间距等参数的深孔，并采用水泥加水玻璃、超细水泥等材料进行超前预注浆加固，覆盖整个地质预测异常的顶板破碎区域，提高煤壁、顶板完整性和强度，减少片帮、冒顶，从而加快工作面推进速度[5-8]。根据断层分布及产状情况，结合本矿井注浆加固理论及实践经验，设计使用区段平巷内的分步预注浆加固方案，即帷幕孔、浅孔、中深孔、深孔综合注浆加固方案，具体是当工作面推进至距离4 号断层影响区约300～400 m 时，实施帷幕、浅孔及中深孔注浆，即第一次注浆；当工作面推进至距离4 号断层影响区约30～50 m 时，利用前期注浆时预留的深孔注浆管，实施深孔二次注浆。

2.2 分步预注浆加固方案设计

设计在1123 工作面轨道巷内对即将推过的4 号断层影响区进行注浆加固，注浆范围在工作面570～640 m 里程标范围内，对约70 m 的断层破碎带实施钻孔注浆，整体注浆方案示意图如图1 所示。

图1 1123 轨道巷分步预注浆方案示意图

2.2.1 浅部帷幕孔注浆方案

为实施最早的注浆措施，控制距离轨道巷约5～6 m 的范围。当距离断层影响区300～400 m 时，在1123 轨道巷内施工帷幕孔，帷幕孔为五花型布置（如图2 所示），底部孔距顶板2 m，顶部孔距顶板1 m，孔深3～4 m，孔径为42 mm，设计使用无机水沙充填浆液进行注浆，注浆压力控制在4～8 MPa。

2.2.2 浅孔注浆方案

在实施帷幕孔注浆后实施，控制距离轨道巷约35 m 的范围。沿工作面走向，每隔10 m 施工1 个钻孔，钻孔开口处距离巷道底板1.5 m，孔深35 m，孔径为94 mm；钻孔后下注浆管，使用无机水泥浆液进行注浆，注浆压力控制在5～15 MPa，使用高压封孔法，封孔长度不低于3 m。

2.2.3 中深孔注浆方案

中深孔控制距离轨道巷约80 m 的范围，沿工作面走向，每隔10 m 施工1 个钻孔，钻孔开口处距离巷道底板0.8 m，孔深80 m，孔径为94 mm；钻孔后下注浆管，使用无机水泥浆液进行注浆，注浆压力控制在8～15 MPa，使用高压封孔法，封孔长度不低于5 m。

2.2.4 深孔注浆方案

当工作面推进至距离4 号断层影响区约30～50 m 时，利用前期注浆时预留的深孔注浆管，实施深孔二次注浆。深孔注浆控制距离轨道巷约120 m 的范围，沿工作面走向，每隔10 m 施工1 个钻孔，钻孔开口处距离巷道底板0.8 m，孔深120 m，孔径为94 mm；钻孔后下注浆管，使用无机水泥浆液进行注浆，注浆压力控制在10～15 MPa，使用高压封孔法，封孔长度不低于8 m。

3 工程实践及效果分析

按照设计的巷道超前注浆方案，共施打了24 个帷幕钻孔，使用2ZBQS-15 型注浆泵共注浆6.8 t；共施打8 个浅孔、8 个中深孔、7 个深孔，使用ZBY1.5/32-22 型注浆泵注浆52 t。实施注浆加固后，断层影响区域围岩固结效果较好，回采期间因断层影响，在半煤岩段及全岩段实施了多次爆破作业，工作面顶板及煤壁整体保持稳定，均未发生冒顶事故，无支架压死情况发生，工作面顺利推过4 号断层影响区；同时，钻孔施工及注浆共计因在工作面巷道内实施，对正常作业循环影响不大。

4 结语

采煤工作面过断层是顶板管理过程中的一个特殊阶段，如何在过断层期间不发生大范围的冒顶片帮事故，是一项重点工作，也是难点工作，除了加强顶板管理、提高液压支架管理及操作水平等常规措施，实施断层带注浆加固也是一种较为有效的主动支护手段。笔者结合理论及实践经验，设计了一套分步预注浆加固方案，即帷幕孔、浅孔、中深孔、深孔综合注浆加固方案，实施了现场工程实践，有效解决了工作面过断层期间的端面煤岩体破碎问题，规避了可能发生的大范围冒顶片帮事故，注浆效果得到验证，安全生产得到保障。