汪培落

（中煤新集能源股份有限公司劉莊煤礦，安徽 阜陽 236200）

回采工作面受斷層構(gòu)造帶的影響，圍巖相對松散、破碎，完整性差，受工作面采動超前影響后，圍巖穩(wěn)定性進(jìn)一步減弱，極易出現(xiàn)頂板超前抽冒、煤壁片幫，嚴(yán)重的可能會造成擠架、壓架、倒架現(xiàn)象，嚴(yán)重制約工作面安全高效回采。采用了超前注漿加固的方式對斷層影響范圍內(nèi)的破碎圍巖進(jìn)行了超前加固，根據(jù)斷層的產(chǎn)狀特征及賦存條件，提出了工作面斷層超前治理預(yù)注漿綜合技術(shù)方案，并進(jìn)行了工程實踐，以期對采煤工作面過斷層提供借鑒。

1 概況

劉莊煤礦位于淮南煤田西部，行政區(qū)劃屬阜陽市管轄，東以F5 斷層與謝橋礦毗鄰，西以F12 斷層與口孜東礦接壤，南以F1 斷層（阜鳳逆沖斷層即淮南煤田南邊界斷層）及17-1 煤-1000 m 水平投影為界，北至1 煤層露頭。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力800萬t/a，2018 年核定生產(chǎn)能力1100 萬t/a。

劉莊煤礦為煤與瓦斯突出礦井，地質(zhì)類型屬于極復(fù)雜型，水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型。礦井范圍內(nèi)探明的煤層共計30 余層，總厚度33.80 m，含煤系數(shù)4.79%。可采煤層13 層，自上而下分別為17-1、16-1、13-1、11-2、11-1、9、8、7-2、6-1、5、5-1、4、1 煤，總厚度為29.51 m，占煤層總厚度的87.31%。其中主要可采煤層5 層：13-1、11-2、8、5、1 煤，煤層累厚為19.96 m，占可采煤層總厚度的67.64%。其中13-1、11-2、8 煤為穩(wěn)定煤層，5、1 煤為區(qū)段穩(wěn)定煤層。131306 工作面布置如圖1。

2 斷層超前治理技術(shù)

2.1 治理方案

針對采煤工作面內(nèi)已探明落差＞1.5 m 的斷層、落差＞3 m 且頂板破碎的斷層，回采過程中常常出現(xiàn)頂板破碎片幫掉落風(fēng)險，為改善斷層附近圍巖條件，提高圍巖完整程度，采取超前注漿治理措施，主要分為兩步：一是超前工作面300 m（未受采動影響）靜態(tài)注漿，在工作面兩巷內(nèi)通過精準(zhǔn)鉆孔，采用滲透性強(qiáng)、固結(jié)圍巖程度高的無機(jī)注漿材料對斷層影響區(qū)域進(jìn)行高壓預(yù)注漿加固；二是超前工作面50 m（受采動超前支承壓力影響）動態(tài)注漿，采用有機(jī)快速化學(xué)注漿材料對工作面松軟煤壁進(jìn)行局部注漿加固。

2.2 材料設(shè)備

結(jié)合生產(chǎn)實際，兩巷超前靜態(tài)治理具有注漿路線長、滲透半徑大、強(qiáng)度高等特點，因而，注漿材料宜選用漿液流動性強(qiáng)、顆粒度小、膠結(jié)性高的材料，配比科學(xué)合理，能夠顯著提高注漿效果，改善過量的水導(dǎo)致的巖層弱化問題。工作面內(nèi)靜態(tài)超前治理，需控制在檢修班施工，不影響生產(chǎn)班正常生產(chǎn)，因而，選用黏度低的動態(tài)超前注漿材料，能很好地滲入細(xì)小的裂縫中，黏合能力強(qiáng)與地層黏合效果好，柔韌性能夠承受隨后的地層運動，反應(yīng)速度快，不影響工作面正規(guī)循環(huán)作業(yè)，具有良好的抗壓性能、高閃點、阻燃、不產(chǎn)生有害氣體的特點。

注漿泵選用注漿壓力大、輸送距離遠(yuǎn)、漿液輸送量大的機(jī)具，因此，選擇適合長鉆孔斷層預(yù)注漿加固工藝的注漿機(jī)具，需滿足條件：注漿泵額定功率與設(shè)計注漿量匹配，注漿泵流量與設(shè)計注漿壓力匹配，注漿泵注漿壓力與設(shè)計注漿距離相匹配。

2.3 治理程序

為提高斷層超前治理效果，固化回采工作面斷層影響范圍破碎圍巖頂板，根據(jù)技術(shù)分析及現(xiàn)場實踐，對斷層治理全過程實施“五步法”管控。

2.3.1 精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)報

斷層超前治理鉆孔設(shè)計前，首先精準(zhǔn)排查采掘范圍內(nèi)斷層情況，對于采掘工作面斷距大于3 m（或大于煤厚）的斷層要進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)報，根據(jù)工作面已開掘巷道收集資料，結(jié)合物探、鉆探、順層鉆孔等技術(shù)措施綜合分析斷層在工作面內(nèi)的賦存情況，編制斷層分析報告，每20 m 各繪制一沿工作面走向、傾向的地質(zhì)剖面圖，圈定斷層可能擺動范圍，為斷層超前治理鉆孔設(shè)計提供基礎(chǔ)技術(shù)資料。

2.3.2 科學(xué)編制設(shè)計

斷層治理設(shè)計須明確淺孔帷幕注漿及深孔高壓注漿兩個方面。淺孔低壓注漿加固治理鉆孔開孔附近圍巖，深部鉆孔采用高壓劈裂注漿，提高漿液滲透半徑。鉆孔施工過程中，根據(jù)鉆孔實測資料及時更新地質(zhì)資料，并完善治理鉆孔設(shè)計參數(shù)、設(shè)計原則。鉆孔施工時應(yīng)考慮煤層傾角、斷層產(chǎn)狀、開孔位置、鉆桿漂移及回采層位等因素，根據(jù)鉆孔深度及測斜試驗結(jié)果確定鉆孔控制層位，設(shè)計終孔位于上翻盤煤巖交界面以上3～5 m，終孔位置水平方向要穿過斷層面3 m 左右，鉆孔施工需進(jìn)行鉆孔測斜，實現(xiàn)精準(zhǔn)打鉆。

1）淺孔帷幕治理鉆孔。為避免深孔高壓注漿過程中漏漿、串漿，采用帷幕鉆孔，加固巷幫煤體的同時形成封閉帷幕。沿巷道走向，在斷層影響范圍內(nèi)施工巷幫水平鉆孔（五花型布置）。根據(jù)實際經(jīng)驗，鉆孔間距3～6 m，孔徑32 mm，孔深5～8 m，采用膠囊封孔，Φ4 分鋼管注漿，注漿加固深度0～10 m，注漿終壓不低于4 MPa。

2）深孔高壓注漿鉆孔。依據(jù)地質(zhì)資料，首先確定工作面回采坡度及層位，然后編制工作面斷層治理鉆孔設(shè)計。鉆孔分2 種：一是斷層探查驗證鉆孔，沿煤布置，提前施工，用于進(jìn)一步探查驗證斷層位置及相關(guān)參數(shù)（工作面順層鉆孔可兼做探查孔使用），完善地質(zhì)資料；二是超前治理鉆孔，根據(jù)修訂后的地質(zhì)資料，完善斷層治理鉆孔設(shè)計，由工作面兩順槽開孔延伸至斷層裂隙，鉆孔須與斷層正交或斜交，以增大鉆孔穿過斷層裂隙幾率，鉆孔路徑須覆蓋斷層預(yù)計擺動范圍，鉆孔穿過煤巖交界面位置距離工作面回采層位頂板以上3～8 m，相鄰鉆孔煤巖交界面位置法線距離10～15 m，鉆孔孔徑94 mm，孔深不超過140 m，注漿壓力15～20 MPa。

2.3.3 精細(xì)組織施工

1）兩順槽超前靜態(tài)治理

① 造孔。依據(jù)斷層治理設(shè)計鉆孔，現(xiàn)場間隔施工第一組治理鉆孔，避免連續(xù)施工，治理孔間距較近，注漿鉆孔間相互串漿影響。對鉆孔逐個進(jìn)行全孔深測斜下套管，注漿管采用1 寸鋼管+1 寸PVC實管+1 寸PVC 篩管（或使用Φ4 分或Φ6 分鋼管替代），靠近終孔20 m 范圍使用篩管，避免局部圍巖松軟破碎范圍塌孔，造成管壁與圍巖之間空間堵塞，影響注漿通道，時間不宜大于10 min，否則易造成巖層遇水弱化，影響注漿通道。

② 封孔。封孔質(zhì)量直接影響施工安全及注漿的效果，封孔方式采用“兩堵一注”耐高壓囊袋封孔，即在注漿孔內(nèi)設(shè)計封孔位置設(shè)置一個囊袋，在距孔口約0.5 m 位置設(shè)置另外1 個囊袋，通過囊袋上的注漿管注入封孔材料，待囊袋上的另1 個膠管出現(xiàn)返漿后，將返漿管扎牢，繼續(xù)注漿直至達(dá)到壓力1.5～2.0 MPa。兩堵一注封孔示意圖，如圖2。封孔要求：封孔膠囊須固定在直徑1 寸鋼管上，注漿鋼管長度比封孔長度長2～5 m，且封孔長度不低于15 m。深部注漿孔開孔附近，輔以淺孔帷幕低壓注漿（終壓4 MPa），保障封孔質(zhì)量。

圖2 兩堵一注封孔示意圖

③ 洗孔。待封孔合格后，采用電動注漿機(jī)注清水洗孔，檢驗注漿機(jī)狀態(tài)、連接部件密封情況，以及沖開圍巖裂隙，為下一步注漿做好準(zhǔn)備。

④ 注漿。洗孔后進(jìn)行高壓連續(xù)注水泥漿液，終壓不低于15 MPa，待漿液凝固，施工剩余治理鉆孔。因第一組治理鉆孔注漿結(jié)束，對附近圍巖充填加固后，可提高鉆孔成孔率，實現(xiàn)全孔深下套管。為防止注漿間斷、漿液凝固堵塞管路及裂隙，執(zhí)行單孔連續(xù)注漿、全過程跟班制度，落實專人現(xiàn)場跟班監(jiān)管，每孔注漿達(dá)到終壓且穩(wěn)壓5 min 后，停止注漿，采用清水洗孔。待距離工作面50～150 m 范圍，過超前動壓影響后，對治理鉆孔進(jìn)行二次復(fù)注漿。結(jié)合現(xiàn)場實際，現(xiàn)場進(jìn)一步提高注漿效果。

2）工作面內(nèi)動態(tài)治理

待工作面回采至距斷層破碎段50 m 以內(nèi)時，根據(jù)現(xiàn)場實際狀況，利用檢修班時間，在面內(nèi)交替布置壓茬淺孔，開孔位置距離底板1 m，壓茬不小于2 m，同一茬相鄰孔間距3～5 m，孔深滿足圓班工作面推進(jìn)度需要，一般情況下6～10 m，水平方向垂直煤壁，豎直方向大于煤層傾角斜向上施工，終孔位于煤層頂板約2 m 處。鉆孔采用氣動手持式風(fēng)鉆及其配套鉆具施工，全孔深安裝Φ4 分（或Φ6 分）鋼管，專業(yè)封孔器進(jìn)行封孔，封孔位置距孔口1 m，配合氣動注漿泵注漿，注漿壓力0～4 MPa。巷道內(nèi)鉆孔布置間距3～5 m，孔深6～10 m，采用氣動手持式風(fēng)鉆、氣動錨桿鉆機(jī)及其配套鉆具施工，全程安裝Φ4 分（或Φ6 分）鋼管，封孔位置距孔口2～2.5 m，配合氣動注漿泵注漿，注漿壓力0～4 MPa。用于深孔注漿補充，固化斷層影響區(qū)域煤壁及直接頂附近松軟圍巖，降低煤壁片幫漏頂幾率。

2.3.4 細(xì)化效果驗證

注漿鉆孔逐個進(jìn)行全程測斜，確保鉆孔施工到位、可靠有效；對比過斷層前、后片幫漏頂情況，較以往回采推進(jìn)度情況；其他有效驗證手段。對比同一煤層（13-1 煤）、同一施工隊伍、條件相似斷層（H=13 m），面內(nèi)全巖范圍影響均為40～90 m，經(jīng)斷層超前治理工作面，頂板超前片漏影響大大減少。經(jīng)統(tǒng)計，月推進(jìn)度達(dá)110 m，較未治理工作面推進(jìn)度提高30 m，效果顯著。

2.3.5 深入效果評價

斷層治理結(jié)束后，注漿單位負(fù)責(zé)各鉆孔注漿后掛牌管理和建立臺賬，并對治理全過程進(jìn)行系統(tǒng)地分析評價。采掘工作面過斷層后，及時做好斷層超前治理效果分析總結(jié)，為后期斷層超前治理優(yōu)化提供依據(jù)。

3 斷層治理實例分析

3.1 工作面概況

131306 工作面為1313 采區(qū)第3 個工作面，為走向長壁開采，軌道順槽可采走向長1 132.9 m（平距），開采標(biāo)高為-637.7～ -662.9 m；膠帶順槽可采走向長1 132.9 m（平距），開采標(biāo)高約為-719.8～-747.6 m；設(shè)計工作面切眼長295.6 m（平距）；煤層傾角14°～20°平均16.5°，煤厚4.0～4.7 m。基本頂：泥巖，灰色，致密，性脆，具參差狀斷口，上部含植物根部化石碎片；直接頂：泥巖，灰色，致密，性脆，斷面平坦，含較多的植化碎片；直接底：泥巖，灰色-深灰色，致密，性脆，含植物化石，裂隙發(fā)育；基本底：粉砂巖，灰色-淺灰色，致密，性脆，含植物化石，具脈狀層理，底為菱鐵砂巖。

工作面F39-1 斷層（SW ∠50°～80°H=1.9～13 m）可靠。該斷層在131306 膠帶順槽實測落差13 m、軌道順槽實測落差1.9 m，貫穿整個工作面。沿回采方向，該斷層為下降斷層，距切眼910 m 處由膠帶順槽首先揭露，與工作面夾角約為53°，沿工作面回采方向共影響183 m，工作面內(nèi)平均影響93 m。

3.2 過斷層方案

超前治理斷層，提高回采期間工作面頂板完好程度；合理控制工作面回采層位及坡度，工作面整體趨勢為西傾、煤層下降，距斷層面約15 m前俯采追煤，預(yù)計過斷層期間工作面回采俯角為2°～4°，根據(jù)斷層移動情況及時調(diào)整工作面回采角度，工作面內(nèi)坡度保持19°以下，走向俯采坡度不得超過15°，保持底板平順，避免出現(xiàn)較大起伏，保障設(shè)備正常運轉(zhuǎn)條件；采取斜交通過斷層，膠帶順槽超前軌道順槽15～30 m，減少工作面內(nèi)影響范圍；根據(jù)面內(nèi)斷層變化情況，采用動態(tài)注漿進(jìn)一步加固破碎圍巖；靈活調(diào)整采煤機(jī)進(jìn)刀方式，減少大塊矸石對設(shè)備的影響；隨著工作面全巖段范圍增加，大塊矸石易堵塞采煤機(jī)出料口，及時將雙刀割煤方式改成單刀割煤；嚴(yán)格控制推溜方式，確保及時拉移支架，減少空頂時間，合理調(diào)整推溜順序控制運輸機(jī)下竄。

3.3 注漿實施方案

為確保斷層治理效果，分別從兩順槽施工斷層治理鉆孔進(jìn)行注漿加固。淺孔帷幕與深孔高壓治理相結(jié)合，其中帷幕鉆孔共計設(shè)計8 個，兩巷各4 個，沿煤施工，五花布置；4 個探查鉆孔用于探查煤層實際賦存狀況，兩巷各2 個。14 個斷層治理鉆孔用于注漿加固，其中膠帶順槽8 個、軌道順槽6 個，2 個驗證鉆孔（兼做注漿鉆孔使用）。

首先施工帷幕注漿鉆孔，進(jìn)行注漿加固封閉淺層圍巖；其次施工J14、J16、G27、G29 探查鉆孔，收集鉆孔資料，分析論證，修正斷層資料，進(jìn)而完善斷層治理設(shè)計，并對驗證鉆孔進(jìn)行封孔注漿加固；然后根據(jù)完善后的鉆孔設(shè)計，開始間隔施工斷層治理鉆孔，膠帶順槽分別為J7、J9、J11、J13，軌道順槽分別為G22、G24、G26；然后集中進(jìn)行高壓注漿加固，連續(xù)作業(yè)，待2 個圓班，水泥初凝形成一定強(qiáng)度后，開始施工膠帶順槽J8、J10、J12、J15 鉆孔，軌道順槽G23、G25、G28 鉆孔，其中J15、G28 鉆孔兼做驗證鉆孔使用，因前期探查鉆孔及中間鉆孔已采取超前注漿加固，第二輪鉆孔施工期間有效降低鉆孔跨孔率，提高注漿通道完好程度，而后進(jìn)行高壓注漿加固。鉆孔設(shè)計如圖3，鉆孔參數(shù)及注漿情況見表1。

表1 F39-1 斷層注漿孔參數(shù)表

圖3 131306 工作面斷層治理鉆孔設(shè)計圖（m）

3.4 超前治理評估

1）斷層治理孔于4 月7 日完成注漿及復(fù)注治理。該斷層兩順槽前期已揭露，結(jié)合順層鉆孔、鉆探、物探等資料，預(yù)計斷層參數(shù)與實際較接近，治理鉆孔施工層位較合理。通過隔孔注漿的方式，有效提高第二輪注漿成孔率，保障注漿效果。

2）斷層治理復(fù)注漿期間，各孔試壓均合格，高壓注漿壓力16 MPa，注漿期間無其他異常情況。工作面受斷層影響范圍，結(jié)合面內(nèi)動態(tài)注漿加固方式，過斷層期間頂板穩(wěn)定，回采過程中未發(fā)生超前片漏（冒）現(xiàn)象，治理明顯，避免了重新掘進(jìn)開切眼采用跳采方式避開該斷層。超前治理斷層后，工作面通過該斷層用時僅45 d，平均日進(jìn)尺3.7 m，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。該斷層已初步治理完畢，工作面具備過斷層條件，待斷層揭露后，再根據(jù)實際揭露情況在面內(nèi)施工鉆孔二次注漿加固頂、幫。

4 實施效果

1）131306 工作面過F39-1 斷層（H=0～13 m）期間，工作面推進(jìn)方向影響230 m，工作面方向影響100 m，局部爆破輔助回采，工作面月推進(jìn)度110 m，未出現(xiàn)頂板片漏、瓦斯、有害氣體監(jiān)測異常等情況，結(jié)合周邊礦井實踐，均取得良好的效果。

2）通過采取斷層靜態(tài)超前治理、動態(tài)面內(nèi)加固措施，變過斷層為治斷層，提高斷層面附近圍巖完整程度，降低工作面推進(jìn)期間斷層影響區(qū)域片漏風(fēng)險，提高安全、經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

1）采取“兩堵一注”封孔工藝，輔以帷幕注漿，可有效減少漏漿，提高了注漿壓力，使斷層破碎帶注漿終壓達(dá)到15 MPa 以上，確保了注漿效果。

2）注漿鋼管+PVC 實管+PVC 篩管相結(jié)合下管工藝、間隔注漿相結(jié)合措施，可有效提高下管深度、漿液擴(kuò)散范圍，保障注漿效果。

3）回采工作面過斷層期間，通過采取“兩巷靜態(tài)治理先行、面內(nèi)動態(tài)治理配合”超前治理措施，可有效控制頂板穩(wěn)定，解決頂板超前片漏、支架倒架、咬架、推進(jìn)度緩慢等問題，促進(jìn)工作面快速通過斷層。