水峪煤业综放工作面过断层注浆加固技术研究

张 浩

（汾西矿业集团水峪煤业，山西 孝义 032300）

断层是我国井工煤矿最为常见的地质构造，有的工作面回采期间将揭露十几条甚至几十条大小不一的断层，对工作面安全生产影响较大，一是造成推采速度的放缓，采煤效率降低；二是造成异常的矿压显现，给安全工作造成较大威胁。对于落差较小的普通断层，采取平推硬过的方式即可顺利推过，而对于落差较大、导通含水层、煤岩破碎的特殊断层，则需要采取更为有效的过断层措施，如实施全岩段爆破作业、断层带注浆、漏冒区马丽散封堵等[1-2]。针对水峪煤业6115 综放工作面过F14 断层期间的顶板控制难题，设计采用注浆措施加固断层带内的破碎煤岩，配合合理的推采工艺及顶板支护措施，确保工作面安全推过F14 断层。

1 工程概况

水峪煤业是汾西矿业集团的主力矿井，核定生产能力为400 万t/a。6115 工作面采用综合机械化放顶煤工艺回采，采放比为1∶1.65，全部垮落法管理顶板，主采10#+11#煤层，煤层平均厚度7.7 m，平均倾角6°。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1 320 m。工作面顶底板条件为：有平均厚度0.3 m 的伪顶，页岩岩性；平均厚度8 m 的直接顶，灰岩岩性；平均厚度11 m的老顶，泥岩岩性；平均厚度2.5 m 的直接底及平均厚度4.2 m 的老底，泥岩、炭质泥岩岩性。工作面中部选用ZF4000/14.5/29 型支撑掩护式液压支架，最小支撑高度1.45 m，最大支撑高度2.9 m，支架中心距1.5 m，额定工作阻力4 000 kN，初撑力不低于26 MPa，泵站供液压力为31.5 MPa，安全阀开启压力为35 MPa。

在地质构造方面，6115 工作面最为典型的特征就是断层多，整个工作面范围内大小断层十几条，断层落差在2.7 m 以上的有三条，最大落差在5.3 m。由于工作面本身顶板条件较差，泥岩老顶垮落后不易形成稳定的承载结构，导致更多的上部载荷需要由“支架—围岩”系统来承担。在更大的载荷作用下，矿压显现作用更为明显，本就十分破碎的断层带及端面煤岩体更为破碎，如果此时工作面支护不及时，或液压支架故障率高、位态差，就会造成支护效果不佳，甚至引发端面冒顶事故。在工作面之前回采期间，就发生过严重的冒顶事故，最大冒高达到3 m，冒顶范围大、影响严重，处理周期达6 d，冒顶片帮情况，如图1 所示。

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[3-5]

F14 断层落差4.5 m，逆断层，沿工作面走向方向向前延伸，走向影响范围达50 m，倾向方向影响范围自运输巷向内0～50 m，揭露的断层线较为破碎。为了提高断层带顶板的完整性，设计使用注浆的方式加固断层带内的破碎煤岩。整个注浆工作分两部分，一是在回采巷道内实施超前注浆加固，二是在工作面液压支架前方实施辅助注浆加固。整个注浆工作的原则是通过注浆提高断层带采场围岩的完整性，避免工作面揭露断层后因煤岩破碎造成的大范围的严重冒顶片帮事故，同时，应尽可能减小注浆工作对生产的影响。

2.2 巷道内超前注浆方案设计

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。设计在工作面运输巷内对即将推过的F14 断层带进行注浆加固，注浆范围在工作面1070～1170 里程标范围内，对约100 m 的断层破碎带实施钻孔注浆。设计钻孔孔深介于25～50 m，钻孔间距3 m，钻孔孔径为Φ36 mm，钻孔开孔位于距离底板1 m 处，按照8°倾角向上打设，钻孔布置如图2 所示。注浆材料为水泥浆、水玻璃双液浆，孔口注浆压力6～8 MPa，设计封孔长度为3 m。

图2 巷道内超前注浆方案钻孔布置示意图

2.3 工作面架前辅助注浆方案设计

工作面辅助注浆主要在应急状况下使用，推采过程中一旦发现超前注浆效果不佳、顶板破碎严重、有漏冒风险，或者已经发生漏冒事故，就需要实施架前辅助注浆。基于马丽散注浆材料的膨胀及速凝特性，设计使用马丽散注浆方案进行架前辅助注浆。马丽散注浆液在注浆泵的压力下可沿煤岩层裂缝延展，对破碎岩体裂隙进行填充，同时遇水还可以继续膨胀并对裂隙、空隙进行二次渗压，达到止漏目的，并将碎岩石进行胶结，形成稳定的岩体结构，具备承载上部荷载的能力，提高端面煤岩体的稳定性。设计在顶板破碎或漏冒区域支架前方及上方实施马丽散注浆加固，注浆孔双排布置，下方钻孔在支架前梁以下1m 处斜向上方打设，上放钻孔在煤壁与顶板夹角处斜向上方打设，仰角设计为30°，可根据现场具体情况稍作调整。设计注浆钻孔孔深6 m，钻孔间距4 mm，封孔1.5 m，钻孔直径38 mm。在注浆浆液的配比方面，设计按照体积比1∶1、质量比1∶1.17 配置马丽散树脂和催化剂，控制注浆压力范围为8～12 MPa，注浆量根据顶板破碎程度或漏冒程度进行决定。

3 工业性试验及效果分析

按照设计的巷道超前注浆方案，共施打了36 个钻孔，其中可用钻孔32 个，可用率89%，使用2TGZ-60型注浆泵进行注浆，共计注入23 t 水泥浆，钻孔施工及注浆共计用时5 d，因在工作面巷道内实施，对正常作业循环影响不大。除巷道注浆，在工作面推采过程中，还实施了2 次架前马丽散辅助注浆，1 次是发现巷道注浆渗透性差、架前顶板破碎后实施的主动注浆，马丽散注浆加固效果较好；另一次是工作面漏顶后的补救注浆，实施马丽散注浆后，立即实施架前护顶、护帮临时支护，并对工作面机道内煤矸进行清理，具备生产条件后向前推进，注浆及处理煤矸用时2 个生产班，在经过5 个割煤循环后，采煤机已割至前方完整煤体，未发生新的冒顶事故，安全生产得到了保障。

4 结语

介绍了6115 工作面的工程概况，分析了其顶板控制难点及过断层期间发生过的冒顶事故情况，并设计了工作面过F14 断层的巷道内超前注浆方案及工作面架前辅助注浆方案，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，对过断层期间发生过得一次漏顶事故也实施了及时而有效的补救注浆措施，注浆效果得到验证，安全生产得到保障。