馬蘭礦18506工作面過斷層注漿加固技術實踐

牛健健

（西山煤電馬蘭礦 ，山西 古交 030200）

1 工程概況

馬蘭礦的18506綜采工作面開采的煤層為石炭系太原組8號煤層，屬于穩定可采厚煤層，結構復雜，中部和中下部均有加矸，煤層厚度3.80～4.80m，平均為4.3m。根據工程資料及在開拓掘進中揭露的，工作面共有31條發育的斷層，落差為0.2～3.6m。自該工作面建成投產以來，由于褶曲、斷層等構造的發育，使很難較好的布置工作面，降低了煤炭回采率，提高了噸煤成本，且經常發生冒頂事故，且每次冒落的高度、面積均有較大差異，嚴重影響到礦井安全和正常生產。因此，針對于18506工作面斷層的構造特征，來選去合理的過斷層的工藝和方法，使工作面內的采掘設備能正常運轉，保證工作面的正常生產。

2 回采工作面過斷層頂板穩定機理探究

2.1 頂板圍巖理論模型

進行采煤作業時，有效的管理回采工作面的頂底板，為人員設備提供安全充足的空間，是工作面正常生產的重要條件[1]。煤炭的開采，破壞了原本支承著上覆巖層的煤層，導致原有的穩定結構被破壞，液壓支架來承受上方巖層的壓力，使應力重新分布，結構重新穩定。對于頂板的穩定和變形，國內外都有著很多的理論，我過普遍認可且較為成熟的有＂砌體梁＂理論和“傳遞巖梁”理論，不僅解答了工作面上方圍巖的形態結構和運動規律，而且為礦壓控制理論奠定了參數基礎[2.3]。

2.2 工作面遇斷層時頂板受力狀態分析

圖1 斷層一

圖2 斷層二

采煤工作面頂板的穩定，很大程度上取決于老頂的狀態，如果老頂能夠自穩，老頂破斷形成的巖塊間相互擠壓，形成類似拱的一種平衡結構，即形成“砌體梁”。但是，由于斷層的發育影響了老頂的連續性，當工作面推進至斷層附近時，有下面兩種結構模型，一組是工作面的推進方向與斷層傾向相反，工作面由斷層的下盤向上盤推進如圖1。另一組工作面推進方向與斷層傾向相同，工作面由斷層上盤方向向下盤推進如圖2。

在斷層一結構模型中，斷層面所受正應力：

斷層面的剪應力：

平衡條件為：

（Tcosθ-Rsinθ）tanφ≥Rcosθ+Tsinθ

Tsin(φ-θ)≥Rcos(φ-θ)

在斷層二結構模型中，斷層面所受正應力：

斷層面的剪應力：

平衡條件為：

式中：T為水平方向推力；R為剪切力；φ為巖塊間的摩擦角；θ為斷裂角。

無論哪種結構的斷層，在采煤工作面通過它時，總是要破壞其原有的平衡狀態，在第一種情況下，頂板巖層會隨著工作面的推進不斷的向工作面后方翻轉、下沉，斷層下盤下煤柱越來越窄，導致煤體對于巖層的支護能力下降，巖塊B的剪切力越來越大，工作面上方的巖塊很難取得平衡，很容易發生冒頂等事故。而在第二組情況下，隨著工作面推進，斷層面的正應力增大，工作面后方老頂懸空的長度增加，液壓支架上形成應力集中，很可能發生壓架事故?？傊?，必須采取有效的方式解決采煤工作面過斷層的問題。

3 過斷層技術方案的選擇

3.1 方法討論

在選擇采煤工作面過斷層時，主要考慮兩個方面的因素[4]，一是在斷層處煤層的厚度，它對過斷層的難易程度具有很大影響，當煤層越厚，也就越容易。二是工作面采運設備最小采煤厚度，允許的煤層越薄就越容易通過斷層。工作面過斷層的主要方法有以下幾種：

1）調整采高法，在工作面距斷層還有一定距離時，提前通過留底煤或者留頂煤的方法降低采高，每刀留煤100～150mm，通過斷層后重新恢復正常采高。該方法的前提是上下盤之間的煤層高度大于設備允許的最小煤層厚度。

2）留頂臥底法或挑頂起底法，當圍巖不是很堅硬時，用采煤機切割圍巖通過，當煤層頂底板較為堅硬時，采用方震動炮進行巖層破碎，再用采煤機切割。前提是斷層上下盤頂底板之間的煤層高度小于設備允許最小煤層厚度時。上述兩種方法均需要煤層頂底板能夠在工作面過斷層中，沒有冒頂、壓架等事故的危險，18506工作面共有31一個已知的斷層，其結構、大小、賦存特征存在很大差異，因此必須進行斷層加固，才能保證工作面安全順利的通過。

3.2 圍巖注漿的理論基礎

通過對斷層進行注漿，可以增大斷層上下盤的連續性，使斷層更接近于正常的巖層。注漿加固主要有以下效果：

1）高壓漿液進行斷層充填，煤體在礦壓的作用下產生大量的裂隙由漿液填充，漿液在煤巖體中縱橫交錯的裂隙中固結，形成具有較強初性及粘結性的聯合體，裂隙之間貫穿形成一個網絡骨架，增加巖體的韌性，使碎裂巖塊的強度大幅度增加，巖體的變形就會相應的減小。

2）注漿時，較大的裂縫被漿液填充，有些封閉的或較小的裂隙雖然無法被填充，但是會被高壓漿液擠壓縮小甚至閉合，提高了圍巖和煤體的強度和彈性模量，并使得碎裂后的煤巖體內摩擦角增大。。斷層凝固的漿液，把斷層面膠結為一個整體，這樣減輕了工作面過斷層時液壓支架上的應力集中。

3）填充到破碎煤體內的注漿材料，固結后增加了煤體的整體性，大幅度增加了煤的承載能力，減小了煤的可壓縮量，從而降低了頂板對液壓支架的壓力，減少了冒頂、片幫等事故，使工作面更安全可靠。

4 技術方案

4.1 材料的選擇

馬麗散是一種由樹脂加入催化劑混合而成的注漿加固材料，由于該混合材料具有較低的粘度，使其在注入巖體內能迅速的擴散到一定的范圍，然后固結，使煤體和巖體膠結，在短時間內加固斷層。馬麗散同時還具備較好的滲透性，并且有非常好的機械性和膠結力，以及抗沖擊、抗老化、耐磨等特性。傳統的注漿材料通常依靠泵的壓力將漿液擠壓到裂隙和斷層內，而馬麗散進入裂隙后，體積大約可膨脹1.5到2倍，從而使其能夠節約成本，提高工作的效率。馬麗散無論是干燥還是潮濕的地方均可使用，因此選用其作為本工作面過斷層時注漿加固的材料。

4.2 方案設計

為了達到更好的注漿加固效果，設計將注漿過程分為兩個部分，首先是通過在工作面兩側的巷道內側向斷層面注漿，二是當采煤工作面推進至距斷層二十米左右時，對工作面前方的煤體進行注漿加固[5]。

4.2.1 巷道內側鉆孔布置及相關參數

斷層的存在破壞了巖層和煤體的連續性，工作面推進至斷層附近時，液壓支架可能會產生應力集中，因此為了使工作面安全的通過斷層，當工作面距斷層較遠時，從巷道內側鉆孔對斷層構造面的進行注漿加固。需要在斷層左右兩側分別布置五個鉆孔，如圖3。

圖3 注漿鉆孔布置圖

注漿孔布置方式：

1）注漿孔位置。根據馬蘭礦18506工作面巷道斷面的大小，在距頂板800mm處布置一排鉆孔，另一排布置在距地板1500mm處，空間距為2.5m，鉆孔方向傾斜向上，采用三花眼的布置方式。

2）注漿孔參數。注漿孔的傾角如圖5，孔深8m，孔徑為42mm。

3）打孔。打孔時要嚴格控制鉆孔的質量，確保注漿空的角度和深度。

4）當漿液距孔口1.5m左右時進行封孔。

4.2.2 工作面鉆孔布置及相應參數

由工作面向斷層內注漿時，布置方式如圖4。

1）注漿孔位置。根據該礦的工作面布置情況，綜合考慮后決定在工作面機頭方向距斷層20m處煤壁上布置注漿孔。在距頂板800mm處布置一排鉆孔，另一排布置在距地板1500mm處，空間距為2.5m，鉆孔方向傾斜向上，采用三花眼的布置方式。

2）注漿孔參數。注漿孔的傾角如圖6，孔深8m，孔徑為42mm。

3）打孔。打孔時要嚴格控制鉆孔的質量，確保注漿空的角度和深度。

4）當漿液距孔口1.5m左右時進行封孔。

圖4 工作面注漿孔布置

5 結論

1）馬蘭礦的18506采煤工作面區域內發育的斷層具有特殊的地質條件，不僅頂板破碎、落差大，而且影響范圍也較大。通過設計采用馬麗散注漿材料加固斷層，很好的控制了工作面頂板，減少了冒頂、液壓支架壓架等事故的發生，保證了采煤工作面安全正常的生產，減少了煤炭資源的損失，提高了煤炭的采出率。

2）從斷層結構穩定的角度出發，論證了采煤工作面過斷層時，上覆巖層失穩的機理，為工作面過斷層加固方案的設計提供了理論支持。貼合著該工作面通過斷層時的具體特征，進行設計實施了具體的注漿加固方案，為類似的工程實例的研究提供了參考。