探析急倾斜中厚煤层综采工作面过断层注浆加固的技术应用

探析急倾斜中厚煤层综采工作面过断层注浆加固的技术应用

刘治华

四川川煤华荣能源有限责任公司绿水洞煤矿638601

摘要：川煤华荣能源绿水洞煤矿3223工作面由于受到断层构造的影响，工作面煤体及顶、底板松软破碎、;承载能力差，回采过程中时常出现冒顶、煤壁片帮和顶板冒落的问题，对安全生产造成了很大的安全威胁。为了解决这个问题，文章提出了工作面煤体断层破碎带超前加固的技术方案，经过现场的应用效果表明煤体断层破碎带经过注浆以后，整体完整性和稳固性得到了提升，自身的承载能力也得到了较大的增强，工作面回采过程中冒顶或片帮等顶板事故问题，实现了安全回采，为今后的矿井工作面类似的地质构造提供了一定的技术借鉴。

关键词：断层构造带;承载能力;注浆加固

一、引言

煤矿井下采煤工作面在回采的过程中经常会遇到断层等地质构造的情况。断层构造带带来的影响会改变煤岩层的机构状态，煤岩体受到挤压会破碎，煤岩体的承载能力下降，造成工作面过断层回采期间煤顶板破碎和顶板冒落的情况时常发生，对工作面的正常推进造成一定的影响。随着煤矿装备技术的不断提升。综采面装备也不断发展，其重量也在不断增加，当工作面回采至断层构造带影响范围区域的时候，因为受到断层的影响，周围的煤岩体的承载能力会下降，会造成工作面出塌陷、抽冒问题，严重影响工作的开展。文章以绿水洞煤矿3223工作面回采过断层为例，提出了对断层破碎带注浆加固的技术方案。

二、工程概况

川煤华荣能源绿水洞煤矿3223工作面位于矿井+350m水平，打锣湾背斜西翼井田最南端边界322采区下段，该工作面上部为3222工作面及3221工作面，二者均已回采结束，下部为未开拓的150水平。工作面上部为660运输大巷及790回风大巷，工作面机巷走向长1206m、风巷走向长1212m，倾斜长65-104m，平均倾斜长102m，平面积76517.9m2，地质储量约532940.3吨，可采储量约506293.3吨。工作面机巷标高+365.7m～+418.5m，风巷标高+441.6m～+459.9m。对应地面标高+847～+992m，埋深481.3m～550.4m之间。采面对应地表为干拱桥至张家山附近，为山地地形，西高东低。地表起伏较小，被竹林、灌木等植被覆盖，表土层多为黄泥，较薄。采面对应地表出露地层为飞仙关一段（T1f¹）和长兴组（P3c）地层，工作面中部对应地表干拱桥一带有少量民房及两趟10kv配电线。

3223工作面煤层为半暗半亮型焦煤、焦肥煤，呈玻璃光泽，硬度系数约1～1.5。煤层倾向约302°，倾角41°～57°，平均倾角50°，工作面上部煤层倾角较缓，下部较陡。煤层为简单结构，一般煤层结构为：0.18(0.22)0.98(0.26)0.18(0.07)1.70, 煤层全高3.04m～4.83m，平均全高约3.58m，纯煤厚度2.62m～3.97m，平均纯煤厚度约3.13m。但受断层影响，局部煤层增厚。工作面从南到北，从风巷到机巷，煤厚整体变化较小，煤层中含夹矸1-2层，该煤层中部有一层厚度在0.07m左右的高岭石夹矸，赋存稳定，分布广泛，为该煤层的标志层，煤层夹矸厚度变化较小，均在0.5m以下，全部为合层煤。

煤层伪顶为灰色粘土泥岩，厚度0～0.30m，含植物根、叶化石，吸水性强。直接顶上部为深灰色泥岩，下部为灰色钙质泥岩，含黄铁矿团块，厚度6.8m～10.20m。老顶上部为深灰色泥岩，中部为泥质灰岩，下部为灰黑色硅质薄层灰岩，俗称“小铁板”，厚度6.20m～11.40m。直接底为灰色泥岩，灰白色细砂岩，含黄铁矿晶粒，厚度3.8～6.8m。老底上部为中厚层状细砂岩，中部为中砂岩，下部为灰白色铝土岩，富含黄铁矿结核，厚度3.1m～5.70m。根据《煤矿地质工作规定》，采面内顶、底板全区都很完整，局部凹凸不平，裂隙不发育，故顶、底板属中等类型。

三、综采面加固条件

（一）条件

在综采工作面的开采过程中，需要对断层破碎带的煤岩层进行钻孔，并且要保证注浆效果,因此必须做好相应的加固处理。针对此情况下我们可以采取以下措施①加强工作面支护。为了使浅基础能够更好地保持稳定状态和有效控制回采压力、提高回采进度等方面都具有积极作用。②强化顶板岩体稳定性与防渗漏性能的改造工作也是十分重要且必要的环节之一，在这一过程中需要对注浆管进行加固处理，使注浆管能够更好地、有效地进行工作。③加强综采巷中的顶板岩体稳定性与防渗漏性能的改造。在施工过程中,我们要对深部煤岩层实施综合处理。在对浅基础实施处理过程中，为了使工作面采煤难度得到有效控制,我们要根据实际情况来采取相应的措施。④加强注浆管施工质量。由于综采开采速度快、压力大等特点而造成深部煤炭层顶板岩体稳定性差和防渗漏性能低等问题出现频繁发生。⑤提高钻孔深度与水平程度。因此在进行综放生产过程中需要对工作面采煤技术参数实施有效控制，以提高综采巷开采的安全性。

在综采工作面的地质构造中，断层是一个非常重要而且又极易发生破坏和影响因素。所以要采取措施对该断层进行处理。首先，应该先确定好合理合适的开采参数、注浆压力以及开采方式[2]。其次，再通过分析现有资料来制定详细有效的方案，比如顶板控制断口及断层等一系列防治技术措施，最后在综采工作面地质构造中选择正确的方法，并且根据实际情况选用适合相应得施工工艺和手段。在综采工作面的过断层中，一般都有注浆和防漏浆等问题出现。所以要对这些因素进行综合考虑。首先我们需要把注浆方法、方式以及技术手段科学合理地结合在一起，其次就是选择合适得施工工艺来有效解决上述三个方面所存在的缺陷，比如说灌缝、钻孔及压裂断口等等一些比较容易发现且效果较为显著的部位，从而保证综采工作面过断层开采后其稳定性和安全性。最后就是在综采工作面的防渗漏处理上，我们需要选择一些比较好地方法来有效解决这些问题。

（二）综采工作面过断层注浆加固机理

该类注浆加固技术的应用，对于综采工作面过断层开采来说，具有以下几个方面的意义：其一、在综合考虑到深部煤层顶板压应力和顶板岩体压力等因素对工作面会造成影响而导致井下回采进度缓慢。其二、由于该类型矿井一般为中短分段形式[3]。当遇到深部下隅裂缝时往往会出现严重地破坏。若是采用常规注浆方法，则不仅不能有效解决这些问题。而采用急倾斜注浆方法，则可以有效解决上述问题。在综采工作面的深部开采过程中，通常会出现顶板岩体压力、底板岩石压应力等因素影响下进行钻孔施工。因此必须要根据具体情况选择合理地工艺参数和技术措施来保证井巷围护质量。其三、针对不同地质条件对注浆效果产生直接而又明显变化的煤层变形裂缝部位采用相应加固处理方法加以改善。

（二）过断层注浆技术在工程中的应用

过断层注浆技术在煤矿开采过程中主要用于采煤工作面上的顶板、近端和倾斜角等区域，其原理是对断层破碎带内破碎煤岩体胶结密实、形成无空洞，总体抗压强度不小于煤体抗压强度。确保回采过程中不会产生冒顶、片帮现象。进而实现了安全高效的回采作业。该方法具有施工简单、效果好且成本低。但该方法的缺陷是施工过程中，浆液参透不好，或注浆压力达不到时，在回采工作面中，容易造成煤岩胶结不密实，容易造成顶板垮冒，产生片帮，导致事故发生。因此必须严格执行好注浆效果[4]。在过断层注浆技术：该工艺适用于煤层中厚以及岩石破碎程度大且深部构造发育等情况下采用。其主要特点就是能够实现工作面破碎岩体有效地进行固化，形成一定的承载力，确保工作面在回采过程中，顶、底板能够完好，同时对回采作业不产生影响，从而实现对采掘工作面破碎顶板的有效注浆固化，避免了过断层时工作面发生的垮冒类顶板事故。

（三）过断层注浆技术存在的问题与解决策略

断层是在地壳中形成的一种地质构造，其发育、分化与岩浆侵入活动有关，主要由以下因素决定。首先，岩石矿物成分。矿体一般为石英或少量角闪石等次生状晶体，有较好的抗压性且具有一定厚度时易产生拉应力区和屈服极限而发生断裂破坏。因此断裂带内含有大量结晶伴形粉晶及不连续结构面的胶结物、泥页岩以及变质砂岩，其中以变质砂岩最为常见，其主要分布于华北岩溶区。其次，断层应力及变形。断裂带内的岩层在受到挤压作用、风化剥蚀和构造运动等影响时易产生拉断裂缝以及错动裂隙发育，而过断层不但可引起上述两种地质条件下形成的次生次生构造面,还可能使次级残余压碎裂隙进一步发展成为主应力场或贯通于褶皱轴部。断裂带岩体在地震活动强度和稳定性上均有一定程度的降低。而过断层由于其发育、分化及破坏形式，也易形成次生构造面，因此对该类断续褶皱轴部以及次级残余压碎裂隙附近岩石可进行分区。

综采工作面过断层注浆加固的目的是为了使破碎煤岩体胶结密实、形成整体，在一定程度上改善了煤矿开采过程，但由于该技术处理效果不理想，因此不能完全发挥其作用。所以必须根据矿井实际情况选用合适方法对工作面进行改造。改造后的顶板采用回采工艺来提高综采时巷道过断层注浆压力控制。

四、过断层注浆加固方案的设计

（一）注浆加固方案

根据断层对3223工作面回采影响范围，结合生产实际情况，为了减少钻孔和注浆施工对回采工作的影响，对断层破碎带注浆加固拟采取超前预注浆加固的方法进行。根据断层对回采工作面的影响范围，考虑注浆钻孔施工、安装注浆管和封孔；注浆以及监测注浆效果浆液按照浆液扩散半径按照2m计算，采高达4.5-5.2m，在垂直底板方向浆液渗透范围即加固范围至少要达到6m以上，所以垂直煤层底板方向布置注浆孔2个为宜，两个注浆孔分别距煤层底板1.5m、4.5m，在垂直煤层底板方向上理论加固范围为7m，即底板以下0.5m，顶板以上1.5m左右。在平行煤层底板方向，为了确保注浆区域的全覆盖，一定要使相邻注浆孔浆液互相渗透(重叠)，因此平行煤层底板方向注浆孔排距设计为3m比较合适。综合上述的问题和策略的分析，以及对3223工作地质层的综合分析与实际开采情况，需要在工作面运输港施工注浆钻孔，对工作面出现凹陷的煤层位置进行加固。下图一是工作面注浆钻孔的布置图。

图1 注浆孔布置纵剖面示意图

该工作面的注浆钻孔设计能够保证对整个工作面断层区域全部覆盖，便于工程的施工。

（二）注浆材料的选择

注浆的目的是为了加固工作面的断层带松软破碎煤岩体的整体稳固性和自身的承载能力，因此注浆材料的支撑力和性能要很重要。从注浆材料的化学组成成上可分为三大类：第一类是无机材料，以水泥基材料等为主，如水泥、石膏及各种高水材料等，使用时不产生化学反应，其优点是成本低、安全性好，但早强度差、黏结力差。第二类是有机高分子材料，这类材料主要是聚氨酯或者其他树脂类材料，使用时产生高达120多℃的反应热，其优点是早强度高、黏结力强、固化时间可调，但是安全性差、成本高。第三类是无机复合型材料。该类加固材料代表了加固材料的未来发展趋势，它既克服了有机高分子材料反应温度高、安全性差的缺点，也克服了无机材料黏结力差、早期强度低的弱点。因此工作面选用HWJ-加固材料是由无机超细粉料组成的复合型注浆加固材料。该材料既可以代替有机高分子化学加固材料，也可以代替水泥基无机加固材料。主要用于巷道或隧道断层破碎带、工作面冒顶片帮超前预注浆加固等。尤其对泥岩、松软黏土、泥沙混合物等地层均具有良好的加固效果。

HWJ-加固材料注浆加固原理：首先按照水灰比1：0.4~1的比例配制成浆液。然后用注浆设备，通过注浆钻孔高压注入到破碎煤岩体的裂隙内。在高压作用下，浆液在被加固地层内渗透、膨胀，随即产生一系列物理化学反应，生成一种对破碎煤岩体具有很强黏结性、充满整个裂隙的固结体网络骨架，从而对被加固地层起到补强加固和充填密实作用。

（三）加固方案的选择

综采工作面断层注浆加固方案，综合考虑矿井的开采条件、煤层赋存条件、断层特性等多种因素,确定采用“短进低回”工艺。打钻孔压灌技术。该方法是在断层的煤岩结合面进行打孔注浆作业，主要用于综采工作面断层破碎带，结合注浆效果及经济效益后选择使用的一种方式。注浆系统技术,该方法是在综采工作面断层破碎带的基础上，通过对钻孔灌排方式,对断层处煤岩性质及注浆压力等因素进行综合考虑确定。采用“短进低回”工艺，可有效解决综采工作面顶板破裂加固作业中存在的问题和不足，同时也有利于改善工作面顶、底板及煤层应力场分布规律以及延长与工作面顶板之间岩石破碎程度。此外，该工艺还能有效提高注浆系统的回采速度和效率，降低了工作面改造后开采过程中对回采巷道顶板岩性变化及裂缝发育程度，保证回采的生产安全可靠。注浆系统。根据该方法对工作面断层的性质、煤层产状及开采条件等因素综合考虑，采用短进低回工艺钻孔灌排技术。，根据上述分析结果选择预埋管注浆方式。在工作面断层破碎带的裂隙处，通过注浆泵将工作面深部破碎的岩体通过无机加固材料进行固化，保证了在工作面生产过程及巷道顶板破碎岩体变化情况下，有效控制断层煤岩体形成整体。对在工作面上回采巷道顶板上覆岩层时采用喷混凝土堵漏方式处理。回采工作面开采地段的钻孔灌注浆方法，将注浆管与杆体进行连接以形成高压注入，保证了综采工作面深部开采的钻孔灌注浆过程中注入压力及岩体应力分布情况，从而有效控制断层破碎带。

（四）注浆加固技术及工作面

注浆加固技术的应用主要是为了确保综采工作面顶板和破碎裂缝相结合，保证注浆效果。该方法通常用于断层破碎，裂隙发育的煤层开采作业。在进行地质条件较差或是工作面较复杂断层面时的开采方式。但当遇到高含水量、断层破碎等情况时应考虑使用此种措施以防止顶板事故发生而导致垮冒问题出现，若是在煤矿施工中应用了上述两种加固技术后，还需注意的是注浆的深度和压力要控制好，否则会对工作面顶板造成严重影响。注浆加固技术的应用效果主要表现在以下几个方面。对工作面顶板和裂缝进行有效填充，改善综采中断层破碎情况。通过注浆实现巷道内压力平衡与开采速度、矿压之间保持一致。

五、综采工作面断层时加固注浆的应用研究

（一）断层时的主要问题

第一、断层的破碎带问题。在工作面中，由于断层的煤岩层比较松软，所以在工作面出现了很多的断裂带。这些断裂带会造成一些不均匀性和连续性，同时也使得整个矿井无法进行正常开采作业，从而导致生产效率降低、经济损失增加等一系列不良后果发生。第二、注浆加固技术存在着一定程度上的缺陷，其一就是断层破碎问题。断层破碎严重是我国地质矿产资源开发与利用中出现了比较普遍且常见的一种现象，在这种情况下，就需要对断层破碎带进行处理，但是由于注浆加固技术存在着一定的缺陷问题。其二就是存在软弱性。当地质条件比较好时(如矿体中含有较多的粘土)或者岩层相对松软、岩石强度低等原因导致了其无法通过注浆方法来将断层破碎部位截断后而造成破坏。另外在工作面中也会出现一些影响到整个综采过程质量和效率，甚至是威胁生命安全的隐患因素发生。第三、裂缝问题。对于这种情况下，注浆加固技术要想能够对其进行有效的处理，就需要在工作面中增加一些裂缝或者是断块。在这种情况下，注浆加固技术就能够对其进行有效的处理

，从而使工作面受到破坏，并且也不会影响到整个综采过程。因此，在工作面中注浆加固技术应用的过程中需要注意以下几点：第一是要对整个综采断层断块进行详细地了解和分析，并且根据实际情况选择相应的方法，第二就是要加强注浆加固施工方案设计。在进行注浆加固的过程中，为了能够有效地对整个工作面进行处理，需要根据实际情况，合理安排施工方案。

（二）断层时注浆的应用可行性

在综采面断层中，当注浆方法和加固技术结合起来时，能够有效地防止顶板垮冒事故的发生。但是对于地质条件较好、破碎程度较大或岩层厚度变化幅度大而又没有足够坚硬度的岩体而言。因此若要保证岩体完整就必须对该区域进行全面勘察。但由于地质条件复杂多变且不均匀性较强等原因导致了断层部位地层存在大量裂隙和软弱夹层，在注浆时极易造成破坏，从而降低整体承载能力。另外，断层附近的地层也存在一定程度上的不均匀沉降，导致注浆效果变差。所以在综采面断层部位采用注浆加固技术时还需注意以下几点：第一、对地质条件较好或破碎性较弱岩层采用注水泥混凝土。第二、对于地质情况较差且软弱层中含有大量碎石土及其他松散堆积物等地段应采取预钻孔处理。

（三）断层时的注意事项

综采工作面断层破碎带的应力较大，因此在对其进行加固处理时，要根据实际情况采取相应措施。首先需要注意的是，为了防止出现大范围断裂现象发生。可以使用一些强度比较高、韧性较好的塑料胶粘剂来将防滑材料和混凝土一起涂抹上去。其次是在注浆前应该先用一定数量的橡胶液来填充已经被压实了工作面断层破碎带，然后再对其进行密封处理，最后再对其进行压实处理，以保证工作面断层破碎带与水平线的重合度。最后，就是在注浆时需要注意的是，首先要把橡胶液和混凝土一起喷洒到已经被注塞了管道里。然后是将胶粘剂涂抹好之后就要使用密封工具来防止出现堵塞现象发生，再次则可以采用一些方法来避免裂缝等问题产生，最后再进行压实处理后，应该保证其表面没有裂纹、塌陷以及不沾湿等等情况的存在。

六、总结

综上所述，注浆加固技术不仅能解决矿井顶板跨冒及煤壁片帮的问题，改善工作面开采条件、提高生产效率和经济效益等作用。还对大大改善煤岩稳定性结构，对安全过断层具有重要意义。但由于该方法存在一定局限性与不足之处：一是在施工时可能会出现加固不到位，发生漏浆现象现象。二是对注浆钻孔施工的精度要求高，难度大。三是现场注浆在实践工作的应用不常见，需要断层的性质、岩性的特性等进行全面掌握，对断层的岩性进行研究并制定相应措施才能得到有效解决这些问题，否则无法发挥其应有价值和使用价值。本文对综采工作面断层破碎带注浆加固技术的应用进行了较为全面地研究，并在实际工程中取得较好效果，但仍需加强改进。

参考文献：

[1]张晓波,张浩,解盘石,等.急倾斜中厚煤层综采工作面矿压分布及其演变规律[J].陕西煤炭,2021.

[2]孙秉成,杜昌昂,丁文龙,等.急倾斜特厚煤层综采工作面均压通风技术研究与应用[J].煤炭工程,2021,53(6):5.

[3]王红伟,焦建强,伍永平,等.急倾斜厚煤层短壁综放采场承载结构泛化特征[J].2021.

[4]王正义.基于微震监测的急倾斜特厚煤层采掘安全距离分析方法:,CN112415585A[P].2021.

[5]陈建国,张孟军,周忠国,等.急倾斜中厚煤层双俯伪斜综采成套装备研制[J].煤炭技术,2021.

[6]何云文,刘俊,黄光利.急倾斜特厚煤层工作面瓦斯涌出量预测及规律研究[J]煤炭技术,2021(040-011).

[7]张志沛,李锋,张海春.急倾斜厚煤层采空区稳定性分析及注浆治理效果评价[J].科学技术与工程,2021,21(4):6.

作者简介：刘治华 1981.6 男 重庆合川 汉 本科 生产技术部副部长，采矿工程师 断层注浆加固 四川川煤华荣能源有限责任公司绿水洞煤矿