于小進(jìn)

(山西圣天寶地清城煤礦有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

由于地殼活動(dòng)的影響，煤層中往往會(huì)形成斷層、陷落柱等不良地質(zhì)體。斷層構(gòu)造周圍的煤巖體在其影響作用下往往賦存狀態(tài)較差，圍巖表現(xiàn)為比較破碎，有應(yīng)力集中的現(xiàn)象[1-3]。如果在工作面回采揭露斷層，不對(duì)完整性較差的煤巖體采取適當(dāng)?shù)拇胧?，則會(huì)出現(xiàn)頂板漏頂、煤壁片幫等現(xiàn)象嚴(yán)重影響安全回采。因此，工作面回采前往往需要展開(kāi)相關(guān)地質(zhì)勘探，提前了解煤體中不良地質(zhì)構(gòu)造帶的分布，進(jìn)而提前計(jì)劃相關(guān)處理方案。

關(guān)于工作面過(guò)斷層方法主要從加強(qiáng)工作面巷道支護(hù)強(qiáng)度和提高破碎圍巖完整性兩方面。其中，注漿加固可以高效、快捷的提高破碎煤巖體的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，在解決工作面過(guò)斷層的方面得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。本文主要以清城煤礦15107工作面過(guò)斷層為研究背景，展開(kāi)超前注漿加固的應(yīng)用研究。

1 15107工作面地質(zhì)條件

清城煤礦15107工作面地表位于苗家莊村及以北一帶，山地溝谷縱橫交錯(cuò)，地形復(fù)雜，有較多的褶皺分布。15107工作面目前開(kāi)采15號(hào)煤，煤層平均厚度約7.24 m，采用放頂煤開(kāi)采，一次采高為2.4～2.6 m。工作面走向長(zhǎng)855 m，傾向長(zhǎng)148 m，煤層產(chǎn)狀變化不大，為近水平煤層，傾角約8°。工作面直接頂為2.6m厚的堅(jiān)硬石灰?guī)r，基本頂為3.5 m厚的砂質(zhì)泥巖，直接底為2.9 m厚的砂質(zhì)泥巖，基本底為3.3 m厚的細(xì)砂巖。

15107工作面的切眼巷處揭露一斷裂構(gòu)造，產(chǎn)狀為北偏東45°，斷層傾角24°，表示為135°∠24°，落差1 m左右的斷層，工作面布置及斷層如圖1所示。

圖1 工作面布置及斷層形態(tài)

2 斷層超前注漿加固方案

為了減小斷層影響，保證工作面在回采過(guò)程頂板和煤壁的穩(wěn)定，提前在斷層影響范圍內(nèi)展開(kāi)深孔注漿加固，以此提高煤體的完整性。注漿加固的范圍選擇在斷層寬度前后各20 m范圍，共計(jì)約94 m。

2.1 超前注漿鉆孔布置

由于斷層揭露處的在15107進(jìn)風(fēng)巷，該巷道為矩形斷面，巷道凈寬4.7 m，凈高2.8 m。由于斷層有1 m的落差，為了能夠完全覆蓋斷層影響區(qū)域，計(jì)劃在巷道斷面打兩排鉆孔，鉆孔布置及參數(shù)如圖2所示。

如圖2(a)注漿孔的布置平面圖可知，深孔注漿孔呈三花眼布置，鉆孔水平間距為1.5 m，上排注漿孔距離頂板0.8 m，兩排注漿孔間距1.0 m，同排注漿孔的間距均為3.0 m，按照上述設(shè)計(jì)，在斷層影響范圍內(nèi)共計(jì)施工深孔注漿孔68個(gè)。

圖2 注漿孔布置及參數(shù)特征

如圖2(b)注漿孔的剖面示意圖可知，下排注漿孔距離底板1 m，垂直于煤幫布置，孔深85 m，大于斷層的寬距離。由于斷層有落差，上排鉆孔設(shè)計(jì)仰角為2.5°，鉆孔穿插入頂煤，孔深與下排鉆孔一致。

2.2 超前深孔注漿工藝

深孔注漿加固主要由封孔、注漿兩個(gè)方面。因此相關(guān)工藝主要包含封孔工藝、注漿參數(shù)以及封孔和注漿設(shè)備系統(tǒng)等。

1) 封孔工藝：深孔注漿的封孔效果直接影響了注漿加固的效果。為了保證孔口的封堵效果，設(shè)計(jì)封孔長(zhǎng)度為16 m，即采用8節(jié)長(zhǎng)度為2 m的鋼管作為封孔段管件，孔口空余部分用棉花進(jìn)行兩頭封堵。封孔材料選擇一種無(wú)機(jī)單液注漿材料，由于注漿孔設(shè)計(jì)比較密集，因此封孔材料選擇水灰比為0.6∶1，材料失流初凝時(shí)間僅為10 min，材料強(qiáng)度可以在1 h內(nèi)達(dá)到3.8 MPa，能確保漿液快速與圍巖膠結(jié)。

2) 注漿參數(shù)：注漿的其余部分的管件全部采用PVC管，并且在每節(jié)注漿管上中間部分的管壁上設(shè)計(jì)密集的噴漿孔。封孔后半小時(shí)后，待封孔漿液初凝，開(kāi)始連接注漿系統(tǒng)，展開(kāi)深孔注漿作業(yè)。

深孔注漿秉持先下排鉆孔然后上排鉆孔的原則，即下排注漿結(jié)束后，再展開(kāi)上排的注漿。注漿材料選擇與封孔材料不同，選擇聯(lián)邦無(wú)機(jī)雙液注漿材料，水灰比為1.2∶1，1 d強(qiáng)度可達(dá)7.8 MPa，3 d強(qiáng)度可達(dá)13.2 MPa，28 d后可達(dá)19.6 MPa。深孔注漿壓力一般選擇20～25 MPa，如果發(fā)現(xiàn)有漿液從煤壁滲出，則說(shuō)明煤體內(nèi)部破碎，需要適當(dāng)降低注漿壓力以免壓力過(guò)大，從而導(dǎo)致漿液進(jìn)一步破壞煤體。注漿量沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)定，原則上注滿為止。根據(jù)此次注漿量的統(tǒng)計(jì)，最大單孔的注漿量約為7.8 t。

3) 注漿系統(tǒng)：由于封孔和注漿所用的材料分別為單液和雙液，因此注漿系統(tǒng)整體分為封孔系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)。展開(kāi)注漿作業(yè)時(shí)，需要分批次封孔，隨后集中注漿。單液封孔所需一臺(tái)螺桿泵，通過(guò)調(diào)節(jié)水閥流量來(lái)控制水灰比，只需要人工上料即可。而深孔注漿時(shí)，由于需要較大的注漿壓力，故而選用注漿壓力為0～25 MPa，最大流量為200 L/min的液壓注漿泵。此外必須選擇合適的場(chǎng)地配備兩個(gè)600 L的單液攪拌桶和配套的定容水箱，注漿時(shí)需要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程以免發(fā)生堵管。

3 深孔注漿加固效果

深孔注漿完成后，為了檢驗(yàn)注漿效果，通過(guò)鉆孔窺視和15107巷道變形監(jiān)測(cè)來(lái)綜合評(píng)價(jià)。

3.1 鉆孔窺視分析

鉆孔窺視可通過(guò)觀察鉆孔圖像中孔壁光滑程度和裂隙的發(fā)育情況分析煤巖體的完整性。在注漿完成后，也可通過(guò)鉆孔窺視對(duì)比注漿前后兩方面的圖像特征，分析漿液與破碎煤體的膠結(jié)效果。因此在本次深孔注漿前后，在15107進(jìn)風(fēng)巷斷層區(qū)域左右相差2 m的位置處分別展開(kāi)鉆孔窺視，所得窺視結(jié)果如圖3所示。

圖3 注漿前后煤巖體鉆孔窺視結(jié)果

從圖3(a)中可以看出，注漿前孔壁整體粗糙，煤巖體內(nèi)裂隙比較發(fā)育，鉆孔內(nèi)有較多圈狀裂隙，有明顯的分層現(xiàn)象，也有少部分縱向裂隙，煤巖體完整性較差。根據(jù)圖3(b)可以看出，注漿加固后孔壁表面完全被漿液包裹，看不到原有的裂隙發(fā)育，孔壁整體光滑，說(shuō)明漿液充填效果較好。通過(guò)對(duì)比可以看出，注漿材料較好的充填了斷層內(nèi)的裂隙，使得煤巖體的完整性和穩(wěn)定性得到提高。

3.2 巷道變形特征分析

由于斷層在切眼附近，因此注漿加固需要在工作面回采前展開(kāi)，即當(dāng)注漿加固完成后，15107工作面開(kāi)始回采。為了進(jìn)一步驗(yàn)證注漿加固的效果，在注漿段的巷道內(nèi)設(shè)置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，收集巷道變形數(shù)據(jù)。工作面開(kāi)始揭露斷層耗時(shí)5 d，隨后每10 d觀測(cè)一次巷道變形，共計(jì)45 d后結(jié)束。最后根據(jù)收集數(shù)據(jù)繪制巷道變形趨勢(shì)，其中一組巷道變形數(shù)據(jù)繪制后如圖4所示。

如圖4所示，巷道變形在工作面回采40 d左右變形開(kāi)始穩(wěn)定，逐漸趨于不變。其中，頂板下沉和兩幫收縮量較大，最大分別為173 mm和158 mm，巷道底鼓整體較小，最大約為89 mm。巷道整體變形量較小，證明深孔注漿加固的效果良好。

圖4 15107進(jìn)風(fēng)巷巷道變形特行

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 分析了15107綜放工作面斷層的形態(tài)特征，并設(shè)計(jì)了超前深孔注漿加固的方案，包括注漿鉆孔布置，深孔注漿的封孔工藝、注漿材料以及封孔和注漿的系統(tǒng)。

2) 通過(guò)鉆孔窺視對(duì)比了注漿前后斷層區(qū)域的煤體內(nèi)部形態(tài)發(fā)現(xiàn)，注漿后煤體內(nèi)裂隙被漿液充填。15107工作面回采后進(jìn)風(fēng)巷巷道變形特征顯示，巷道整體變形量較小，表明注漿加固提高了煤巖體的強(qiáng)度，巷道穩(wěn)定性增強(qiáng)。