青云煤矿综采工作面过断层带注浆加固技术研究.pdf

12023 年第 8 期任志强：青云煤矿综采工作面过断层带注浆加固技术研究收稿日期 2022-08-31作者简介 任志强（1975），男，山西介休人，2012 年毕业于重庆大学采矿工程专业，本科，工程师，现从事煤矿管理工作，研究方向：煤矿综采生产技术。任志强：青云煤矿综采工作面过断层带注浆加固技术研究青云煤矿综采工作面过断层带注浆加固技术研究任志强（山西介休义棠青云煤业有限公司，山西 介休 032000）摘 要 为防止 020204 综采工作面过 F1 断层带时围岩破坏失稳，采用数值模拟与现场监测相结合的方法，确定断层影响区应力分布情况，制定注浆加固方案。现场应用结果表明，工作面推进至断层影响区域时，围岩稳定性较好，工作面支架压力整体分布较均匀，主要集中在 2030 MPa 之间，效果良好。关键词 综采；断层；注浆中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.001Research on Grouting Reinforcement Technology for the Fully Mechanized Mining Face Passing Through the Fault Zone of Qingyun Coal MineRen Zhiqiang(Shanxi Jiexiu Yitang Qingyun Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Jiexiu 032000)Abstract:To prevent the surrounding rock from being damaged and unstable when the 020204 fully mechanized mining face passes through the F1 fault zone,a combination of numerical simulation and on-site monitoring is used to determine the stress distribution condition in the fault affected area and develop a grouting reinforcement scheme.The on-site application results show that when the working face advances to the fault affected area,the stability of the surrounding rock is good,and the overall distribution of the support pressure on the working face is relatively uniform,mainly concentrated between 20 MPa and 30 MPa,with good results.Key words:fully mechanized mining;fault;grouting1 工程概况青 云 煤 矿 020204 综 采 工 作 面 主 采 2#煤层，厚 度 2.32.7 m，平 均 2.5 m；煤 层 走 向260 270，倾角 10 16，平均 13。2#煤层为稳定的大部可采煤层，由东到西具有厚薄相间的变化趋势，煤层结构简单，含 3 层矸石，夹矸岩性以泥岩、砂质泥岩为主，煤硬度 12，回采时容易片帮。煤层顶底板具体岩性情况见表 1。020204 综采工作面位于二采区，地面标高+930+1030 m，井下标高+361+394 m。工作面倾向长度 190 m，走向长度 316 m。工作面东为推进方向，西为井田边界，南为实体煤层，北邻 020201面采空区。根据掘进过程中上下顺槽及切眼揭露情况，020204 运输顺槽揭露落差 1.7 m 的 F1 正断层，走向 75，倾角 56。工作面回采过该断层时，可能出现煤壁片帮、顶板冒落等事故，需提前对工作面围岩进行科学合理控制。表 1 煤层顶底板结构顶底板岩性平均厚度/m岩性特征基本顶粉砂岩2.46灰色、浅灰色，成分石英为主，孔隙或胶结，斜层里，交错层里直接顶砂质泥岩2.63灰黑色，中厚层状，含铁质结核，相变为中粒砂岩，中部含植物碎片化石直接底砂质泥岩1.43灰、黑色，含较多植物化石，相变为砂质泥岩2 过断层带时工作面稳定性分析为明确断层构造对工作面围岩稳定性的影响，通过数值模拟结合现场实际监测数据进行研究分析。矿井智能化建设与开采生产22023 年第 8 期2.1 数值模拟分析采用 COMSOL 数值模拟软件对断层处工作面围岩应力分布情况进行模拟分析。为使模拟结果尽可能准确，在巷道内对围岩进行钻孔取芯，带回实验室进行物理力学测试，试验情况如图 1。（a）电子万能压力试验机 （b）单轴抗压强度试验（c）抗拉强度试验 （d）抗剪强度试验图 1 岩层物理力学测试每组试验均为 3 个岩样进行测试，岩样制为直径20 mm、长度300 mm的圆柱体，测试结果见表2。模拟中的煤岩层物理力学参数均按表 2 进行赋参。表 2 煤岩体物理力学参数岩性密度/（kg/m3）体积模量/GPa剪切模量/GPa内摩擦角/（）黏聚力/MPa抗拉强度/MPa主关键层29007.311.3038.715.19.21亚关键层27006.910.9036.513.48.75粉砂岩25006.17.7735.510.16.24砂质泥岩22002.03.2530.33.72.77煤层13001.20.8725.61.20.45泥岩15001.72.1830.42.51.63模拟时不考虑温度场影响，主要为渗流场及应力场。模拟结果如图 2。图 2 工作面应力分布云图由图 2 可知，工作面的应力集中主要在断层处，这是由于断层存在自由面，应力在自由面容易集中。断层处的围岩在应力集中的作用下，裂隙逐渐发育扩展，易引起失稳、煤壁片帮，最终导致工作面垮塌、压架等事故发生。断层处最大集中应力为 45 MPa，竖向集中范围为 5 m，水平方向上 3545 MPa 应力集中区域长度为 40 m，主要靠近运输巷一侧，回风巷一侧应力相对平稳。因此，运输巷侧断层位置附近 40 m 范围内的顶板岩层容易出现垮落情况，这是垂直应力和水平应力共同作用的结果；回风巷一侧的顶板受运输巷顶板垮落的影响，也会出现局部垮落的现象，最终导致工作面围岩整体失去平衡。2.2 支架压力监测分析工作面单个支架宽度 1.5 m，共计 126 架，统计出各支架压力的监测数据，得到过断层前工作面支架压力统计图如图 3。图 3 注浆前支架压力分布由图 3 可知，支架压力的波峰出现在第 60#支架处，该支架与回风巷的距离为 100 m，与运输巷的距离为 90 m，波峰支架压力为 42 MPa。根据整体应力分布情况可知，运输巷一侧，支架压力由 15 MPa 增长至 42 MPa，压力平均每米增长 0.3 MPa；回风巷一侧，支架压力由 42 MPa 降低至 20 MPa，压力平均每米降低 0.22 MPa。运输巷一侧支架压力变化率为回风巷一侧的 1.36 倍，这是由于断层的影响导致了工作面倾向上的应力分布不均匀。3 断层影响区注浆加固技术1-53.1 注浆加固材料根据现场条件及断层产状，选用无机复合注浆加固材料，该材料具有以下特点：1）材料凝固后强度较高。在现场选取破碎煤岩体及部分矸石，将碎石与注浆材料一同置入方形容器内，待浆液固结后，对固结煤岩体进行单轴压缩试验，试验结果如图 4。由图 4 可知，破碎煤岩体经注浆材料加固后的稳定性及完整性较强，其单轴抗压强度能达到 22 MPa 左右。2）注浆材料的流动性强、扩散范围较广。材料颗粒粒径较小，扩散范围能达到 10 m 以上。3）浆液固结后状态较稳定。浆液完全凝固的时间为 8 h，浆液凝固后的胶结率可达到 100%，且32023 年第 8 期任志强：青云煤矿综采工作面过断层带注浆加固技术研究泌水率较低，状态稳定；浆液的水灰比控制在0.30.4之间，可有效解决破碎煤岩体遇水软化的问题。图 4 固结体单轴压缩试验3.2 注浆钻孔布置F1 断层靠近 020204 运输巷一侧，在断层附近运输巷内布置钻孔，进行围岩注浆加固。如图 5。图 5 注浆钻孔布置方案（m）在运输巷内共布置 2 排钻孔，均垂直于采煤帮施工，上下两排钻孔呈三花眼状布置，孔间距均为3 m。第一排钻孔距底板 1.0 m，第二排钻孔距底板2.5 m，两排钻孔距离为 1.5 m。在断层影响区前 30 m 范围内，注浆钻孔的深度控制在 3550 m 之间，在断层影响区后 10 m 范围内，注浆钻孔的深度控制在 2535 m 之间，钻孔终孔位置需打入断层另一盘的稳定岩层中。注浆钻孔的直径均为 38 mm。注浆压力对浆液的扩散及注浆量影响较大，根据以往类似工程经验，注浆压力为静水压力的 2 倍左右时的注浆效果较好。考虑到断层处围岩较为破碎，需适当减小注浆压力，防止浆液冲出。根据现场实际情况，确定注浆压力为 35 MPa，单个钻孔的注浆量应保持在 160230 m3之间。现场采用气动注浆泵，配套高压胶管及混合枪头进行注浆施工。3.3 封孔工艺注浆钻孔施工后，需对孔口进行封堵，若采用传统的止浆塞进行封孔，会出现浆液外溢，因此，考虑采用两堵一注的封孔方式进行封孔。单个孔的封堵长度为 3 m，主要包括孔口管和两端麻绳。注浆时，浆液通过孔口管注入两麻绳之间，麻绳可以起到降低浆液外溢的效果，以此起到孔口封孔作用。4 围岩控制效果分析在 020204 运输巷内共计布置 30 个注浆钻孔来加固 F1 断层影响区。采煤面推进至注浆加固区时，工作面围岩整体较为稳定，工作面的推进速度未受影响。提取工作面支架压力的监测数据，并制成压力分布图如图 6。由图 6 可知，对断层影响区进行注浆加固后，工作面支架压力整体分布较均匀，未出现大幅度变化的情况，支架压力在 2030 MPa 之间，未出现顶板冒落、煤壁片帮现象，支架与顶板能够密切接触，应用效果良好。图 6 注浆后支架压力分布5 结论1）通过 COMSOL 数值模拟软件分析了工作面过断层时应力分布情况，得出断层带最大集中应力45 MPa，竖向集中范围 5 m，水平方向 3545 MPa应力集中区域长度 40 m，主要靠近运输巷一侧。2）注浆加固后现场推采时，对支架压力进行了监测分析。数据表明，支架压力波峰出现在第60#支架处，该支架与回风巷的距离为 100 m，与运输巷的距离为 90 m，波峰支架压力为 42 MPa。工作面支架压力分布均匀，围岩控制效果良好。【参考文献】1 张敦喜，杨张杰，王庆牛，等.采煤工作面断层超前治理技术研究 J.煤炭科学技术，2021，49（03）：30-36.2 张敏.综采工作面煤壁片帮机理及控制技术 J.山东煤炭科技，2021，39（12）：66-67+69.3 于小进.清城煤矿 15107 综放工作面过断层注浆加固应用 J.煤，2021，30（06）：92-93+108.4 郭玉，王玮，王佐，等.超细水泥预注浆加固技术在寺河矿的应用J.煤矿安全，2020，51（06）：93-96+104.5 刘俊波.马丽散在加固综放工作面破碎顶板中的应用 J.江西煤炭科技，2011（02）：117-118.