注浆加固技术在综采工作面构造区的应用

郭小路

（晋能控股煤业集团野川煤矿，山西 高平 048400）

综采工作面过断层期间受构造应力影响工作面出现应力显现现象，主要表现在煤壁片帮、顶板破碎严重，应力区顺槽底板鼓起以及两帮收敛等[1-7]，导致工作面回采效率低、支架移架困难、回采危险系数高等技术难题；工作面过断层时主要采用超前移架进行围岩控制维护，但受应力破坏后回采煤体出现超前破碎现象[8]，采用液压支架不能很好地对煤体起到超前支护的作用，达不到预期支护效果。 本文以野川煤矿3205 工作面为例，对工作面过DF5断层时采用煤岩体超前注浆加固技术，实现了应力区煤岩体超前加固作用，提高应力破坏区围岩胶结稳定性，防止煤体出现超前破碎现象。

1 概述

晋能控股煤业集团野川煤矿3205 工作面位于井田一水平二采区西南部，东部为二采区大巷，南部、西部为井田边界，北部为3203 工作面。

3205 工作面设计走向长度947 m，倾向长度185 m，工作面回采3#煤层，平均厚度5.8 m，平均倾角3°，煤层顶底板岩性如表1 所示。3205 工作面采用低位放顶煤回采工艺，采煤高度3.5 m，放煤高度2.3 m，截至目前工作面已回采418 m。

表1 3#煤层顶底板岩性汇总

3205 工作面回采至392 m 处，位于工作面尾部（120#～91#支架）煤壁揭露一条DF5正断层，如图1 所示。断层落差1.4 m，倾角55°，断层对工作面回采走向影响长度为70 m，倾向影响长度44 m。由于工作面揭露断层时断层岩体主要以泥岩为主，岩体硬度相对较低，决定采用强行破岩法过DF5断层。 工作面破岩过断层至398 m 处时受构造应力影响，顶板岩体出现破碎、煤壁片帮现象，伴随着局部陷底现象，随着工作面推进，当工作面回采至400～418 m 段时，工作面底板陷落深度为0.7～3.2 m，导致局部支架支撑强度不足、支架陷架现象严重，威胁着工作面安全高效回采。

图1 3205 工作面平面布置

2 工作面陷底原因分析

1）多重应力影响：3205 工作面在揭露DF5正断层时，工作面受构造应力、回采应力、周期来压等集中应力叠加影响，工作面顶板、 煤壁受力加大，工作面回采过程中支架上方应力通过支架支护作用，可削弱应力破坏作用，而工作面煤体上方超前应力一部分通过煤体支撑作用进行削弱[9]，一部分沿煤壁传递至底板，对煤壁及底板岩体产生剪切破坏作用，导致底板断裂下沉现象。

2）煤体松软：工作面回采的3#煤层属于石炭系煤层，煤层结构复杂、稳定性差，在揭露断层后煤体受剪应力破坏严重，煤体出现严重片帮现象，降低了煤体力学结构，导致煤体承载能力降低，无法有效控制、削弱顶板垂直应力传递作用，造成局部应力传递至底板，对底板产生破坏[10]。

3）底板稳定性差：通过揭露DF5断层发现，工作面侧为断层下盘，断层上盘煤体在空间上出现下移，导致下盘局部煤体进入煤层底板内，工作面强行过断层时，底板为煤体，煤体厚度为1.4 m，3#煤层煤体在应力以及采煤机割煤扰动作用下，煤体整体成破碎状，造成底板平整性及强度降低，导致底板下陷。

3 注浆加固方案设计

3.1 注浆加固方案

结合3205 工作面地质条件以及回采现状，决定对工作面底板下陷区域进行超前加固，注浆孔布置在3205 回风顺槽工作面侧煤壁上，超前注浆区长度为50 m，即工作面420～470 m 段；注浆钻孔距底板距离为1.0 m，钻孔直径为45 mm，钻孔深度为45 m，钻孔以8°俯角布置，钻孔布置间距为3.0 m，如图2 所示。

3.2 注浆材料选择

目前煤矿采掘工作面主要采用无机类水泥浆液和有机类化学浆液两类注浆材料加固提升煤岩体整体稳定性以及承载能力。 无机类水泥浆液主要采用水泥浆液和水玻璃进行配比，该注浆材料成本相对较低、发热量小、取材容易。 但水泥浆液流动性及对细小岩体裂隙渗透能力差，注浆扩散半径小[11]，且注浆凝固体韧性弱，注浆后对大应力变形围岩加固效果差；而有机类化学浆液主要为A（改性脲醛树脂）、B（催化剂）两种成分混合浆液，该注浆液成本费用相对较高，反应过程中产生大量热量，但是渗透能力强，凝固体柔性及抗载荷强度高[12]，根据3205 工作面生产现状，决定采用改性脲醛树脂与催化剂以3:1 配比混合液作为注浆材料。

3.3 封孔工艺

为了提高注浆效果，保证注浆压力，注浆施工前需对注浆空口段进行注浆加固，通过多次改良，决定对3205 工作面注浆钻孔采用麻丝与注浆联合封孔[5]，封孔工艺如图2 所示。

图2 3205 工作面注浆平面

封孔时首先对钻孔内安装两根注浆钢管，其中1#钢管长度为3.0 m，直径为20 mm，2#钢管长度为6.0 m，直径为40 mm。钢管安装后在孔口处以及1#钢管底端采用麻丝进行封堵，然后对1#钢管注入聚氨酯进行孔口封堵；封孔完成后将2#钢管与注浆枪连接，进行注浆施工。

3.4 注浆量计算

在注浆施工过程中，注浆量大小根据围岩破碎情况确定，一般情况下注浆过程中注浆液不会向煤体外继续扩散，且持续供压达到30 min后可以停止注浆；注浆施工注浆量可按下列公式进行计算：

式中：Q为注浆量；K为注浆液消耗系数；a为注浆钻孔数量；R为注浆液扩散半径；H为钻孔深度；β为浆液充填系数；η为注浆煤岩体空隙率；l为注浆后浆液结石系数。

通过实际计算可得，3205 工作面注浆量为217 m3。

4 注浆效果分析

3205 工作面采用ZQJC 型气动架柱式钻机进行超前注浆钻孔施工，共计施工20 个注浆钻孔，LSY-110 型注浆泵进行注浆施工，共计用时42 d完成工作面所有钻孔及注浆施工工作，通过现场统计计算，单孔注浆量为12.4 m3，共计注浆量为248 m3，比理论计算注浆量要大。

通过对工作面采取超前注浆加固后，3205 工作面在后期回采过程中，工作面陷底量减少至0.4 m，同时工作面煤壁片帮及顶板破碎得到有效控制。 由此可见，工作面采用超前注浆后，提高了底板煤体整体稳定性及承载强度，有效削弱了集中应力对底板破坏作用。

5 结论

1）通过对工作面断层区软岩底板采取超前注浆加固后，注浆液在注浆压力作用下对底板煤体裂隙进行充分填充，底板煤体稳定性、胶结强度得到了有效提升，强化了煤体固化效果。

2）通过现场实际应用效果来看，3205 工作面采取注浆加固后提高了煤岩体整体强度，有效防止了工作面后期回采时设备陷底现象，保证了工作面安全快速通过断层区，为后期采掘工作面过类似地质条件提供了实践依据，具有一定的参考意义。