综采工作面回采过断层超前治理技术研究

刘 伟

（山西焦煤汾西矿业中兴煤业公司，山西 交城 030500）

0 引言

断层是煤炭回采时常见、安全隐患较为突出的构造类型，在断层发育区内裂隙发育、构造应力显现，煤岩体硬度低[1-2]。在采面回采过断层时，在采动影响下会导致断层活化，给煤炭回采以及巷道掘进等带来较大制约，采面过断层时面临的灾害类型包括有顶板垮落、突水、片帮等问题，为此众多的学者及工程技术人员对采面过断层技术展开研究，并提出超前注浆、跳采、平推硬过、玻璃钢（木锚杆）加固以及降低采高等多种技术措施，现场均取得一定的应用效果[3-6]。山西某矿井田范围内地质构造发育，以该矿31103 综采工作面过DF29 断层为工程背景，针对断层有一定导水性、岩体裂隙发育以及影响范围内煤岩体承载能力差等问题，针对性提出超前治理技术，现场应用后实现了采面安全开采。

1 工程概况

山西某矿设计开采6.0 Mt/a，批准开采煤层包括有3#、5#、9#、11#及15#等，由于矿井服役时间超过50 a，浅部的3#、5#资源基本回采殆尽，现生产主要集中在9#及11#煤层。31103 综采工作面回采11#煤层，煤层厚度介于3.6～5.6 m，均值4.2 m，设计推进长度1 350 m，斜长240 m。11#煤层顶板岩性以砂质泥岩、炭质泥岩以及粉砂岩等为主，顶板岩层遇水膨胀、崩解，强度会显著降低。

矿井回采范围内水文地质条件复杂，根据回采巷道掘进资料显示，在31103 综采工作面回采范围内发育有DF29 断层（H=15～18 m，155°∠65～70°），该断层影响范围内煤岩体裂隙发育且有一定的导水性，现场施工的TD1～TD6 探测钻孔中，除去TD2、TD5 钻孔不出水，其余钻孔均有少量出水情况；结合现有的资料判定该断层裂隙与上覆砂岩裂隙水含水层联通。11#煤层上覆含水水源主要为砂岩裂隙水含水层，岩溶裂隙不发育、富水性较差。DF29 断层是制约31103综采工作面高效回采的主要因素，因此提出超前治理措施为煤炭高效回采创造良好条件。采面内断层分布情况，如图1 所示。

图1 采面内断层分布示意图

2 采面过断层超前治理技术

依据31103 综采工作面现场地质条件以及揭露的DF29 断层发育特征，在31103 综采工作面回采过DF29 断层期间面临的主要灾害类型包括有：冒顶、片帮、顶板淋水等问题，导致采面推进速度缓慢、顶板管理难度显著增加。提高断层影响范围内煤岩体承载能力及稳定性、封堵断层导水裂隙可为采面回采过断层创造良好条件。结合以往研究成果以及采面现场情况，提出采用回采巷道超前注浆+采面内局部注浆方式对断层进行超前治理，封堵导水裂隙降低甚至避免顶板淋水，提升注浆加固区域煤岩体承载能力，避免出现冒顶、片帮等问题[7-9]。

2.1 回采巷道超前注浆加固

2.1.1 超前注浆钻孔布置

回采巷道内超前注浆钻孔布置，如图2 所示。在采面运输巷内布置1#～8#注浆钻孔，钻孔终孔均穿越DF29 断层2 m 以上；在采面回风巷内布置9#～17#注浆钻孔，钻孔终孔均穿越DF29 断层2 m 以上。回采巷道布置的注浆钻孔均在巷道采面帮，开孔位于巷道顶板下方300 mm 处，终孔高于煤层顶板5 m 以上。布置的注浆钻孔孔径均为60 mm，钻孔间距为20 m。选用的注浆材料长钻孔注浆需要，注浆压力控制在5～8 MPa。

图2 回采巷道超前注浆孔布置示意图

2.1.2 注浆加固材料

由于回采巷道内布置的注浆钻孔注浆范围大、注浆距离长，浆液在钻孔内流动时间长，加之采面推进速度较快，对注浆材料性能要求较高。具体选用的注浆材料应满足下述要求：

1）注浆浆液渗透时间长，因此要求注浆材料初凝速度不能过快，注浆材料在30～40 min 范围内保持较好的流动性，以便满足浆液注入需要，在120 min 后材料强度、黏结能力等显著提升，以便适应采面回采需要；

2）注浆材料应具备较强的可注性、流动性，具体可通过增大注浆材料水灰质量比、材料细度、降低材料黏度等方式实现。

现阶段水泥、水玻璃等无机注浆材料均在可注性、胶结时间等有问题，为满足31103 综采工作面回采巷道内超前注浆需要，注浆选用可注性好、黏结性强的水泥基材料，具体采用的SCJG-1 注浆材料性能，如表1 所示。

表1 注浆材料性能参数

2.1.3 采面局部注浆

在采面推进过程中，对回采揭露的破碎顶板进行局部补注浆，布置的注浆钻孔孔深为6 m，仰角为15°～20°，开孔布置在顶板下方500 mm 处。采面回采3 个循环（回采4.8 m）后进行1 次注浆。采面局部注浆仅针对局部顶板破碎位置，注浆覆盖采面过DF29断层整个过程。注浆浆液选用满足浅孔注浆需要的SCPJG-2 复合注浆材料，注浆时将注浆压力控制在3～5MPa。

选用的SCPJG-2 复合注浆材料包含A、B 两个组分，A 组分颜色呈浅灰色，分散黏度、密度分别为150～300 MPa·s、1.3～1.45 g/cm3；B 组分颜色呈棕褐色，分散黏度、密度分别为200～300 mPa·s、1.1～1.3 g/cm3。具体SCPJG-2 复合注浆材料性能参数，如表2 所示。

表2 材料性能参数

2.2 断层超前治理效果

在31103 综采工作面回采过DF29 断层前，在回采巷道内对断层影响区进行注浆加固，注浆材料选用SCJG-1 材料；在采面过断层期间，回采巷道超前注浆未控制区域或者局部围岩破碎区域进行局部注浆。对断层进行超前治理后，断层破碎带内围岩稳定性及承载能力显著提升，同时浆液在导水裂隙中扩展可避免过断层期间采面顶板淋水量大、顶板稳定性降低等问题。注浆浆液充填断层破碎带煤炭体裂隙，实现了围岩加固以及导水裂隙封堵目的。

31103 综采工作面耗时3 个月回采过DF29 断层影响区，期间未出现顶板淋水、顶板冒落或者大范围煤壁片帮等问题，采面保持正常推进速度。现场应用表明，采用超前治理技术后，DF29 断层影响范围内煤岩体保持稳定，可为采面安全高效过断层创造良好条件。

3 结语

31103 综采工作面开采范围内DF29 断层分布范围广、对采面影响显著，断层影响范围内煤岩体破碎且断层裂隙与上覆裂隙含水层联通，断层有一定导水性。在采面过DF29 断层期间面临淋水量大、顶板管理难度高等问题。为确保31103 综采工作面安全高效通过DF29 断层影响区，提出在回采巷道内向DF29断层影响区超前注浆，在过断层期间在采面内向超前注浆未控制区域或者局部破碎区进行局部注浆。

对超前注浆及局部注浆方案进行设计。现场应用后，31103 综采工作面回采至DF29 断层影响区内时顶板及煤壁保持稳定且未出现淋水情况，现场采用的超前治理技术取得较好应用成果。