31113综放工作面过断层注浆加固技术研究.pdf

2023 年 8 月2023 年第 8 期回采工作面推进过程中时常要通过断层、褶皱等地质构造，回采期间煤岩体较为破碎，煤岩体的整体性、稳定性及承载能力较差，较易发生综采设备下沉、工作面冒顶及片帮事故，严重制约了工作面生产安全和生产效率1-4。对此，诸多学者、专家及矿山科技工作者进行了大量研究。冯志强5提出采用注加固剂和补强支护的过断层方案，确保了增子坊煤矿 5306 工作面过断层期间的生产安全。赵海峰6针对四台矿 81003 工作面断层构造带结构特征，提出了注浆加固过断层技术，该技术的应用显著提高了工作面煤岩体稳定性。张勇7通过超前注浆加固技术有效解决了常村煤矿 8110工作面过断层时围岩变形大、工作面设备下沉等问题。本文基于上述研究，以永胜煤矿 31113 综放工作面为研究对象，提出了超前注浆加固的工作面过断层技术方案，为工作面生产安全及生产效率提供了保障。1工程概况永胜煤矿 31113 综放工作面开采太原组 11 号煤层，地面标高+930+987 m，工作面标高+678+742 m，埋藏深度平均 245 m。煤层厚度 6.38.3 m，平均厚度7.8 m；煤层产状为走向北西，倾向北东，平均倾角 6毅。煤层结构稳定，全区可采。中间有 4 层夹矸，岩性为黑色泥岩，自上而下厚度分别为 0.08 m，0.10 m，0.07 m，0.05 m。工作面长度 205 m，可采长度 371 m。采用倾斜长壁综合机械化低位放顶煤采煤法采煤，采用全部垮落法管理顶板。工作面北邻 31115 工作面（正掘），南邻 31111 工作面（已采），西部为南头村保护煤柱，东为三采区大巷保护煤柱。工作面在推进至距切眼位置 40 m 处揭露 F3断层，断层产状为蚁75毅，走向长度182 m，倾斜宽度 130 m，落差 5.6 m。11 号煤层顶底板基本情况如表 1 所示。31113 综放工作面布置及断层位置如图 1 所示。收稿日期：2022-12-13作者简介：刘明亮袁 1969 年生袁 男袁 山西长治人袁 工程师袁 主要从事煤矿现场生产管理工作及研究遥31113 综放工作面过断层注浆加固技术研究刘明亮（山西朔州平鲁区兰花永胜煤业有限公司，山西 朔州 036800）摘要：综放工作面过断层期间因煤岩体破碎尧 承载能力差袁 易发生工作面设备下沉尧 冒顶尧 片帮的问题袁 严重威胁工作面生产安全遥 以永胜煤矿 31113 综放工作面为研究对象袁 采用理论分析和现场实测的研究方法袁 对工作面煤岩体超前注浆加固过断层技术进行研究遥 现场应用结果表明院 超前注浆加固后袁 工作面煤岩体完整性和承载能力显著提升袁 煤壁片帮深度尧 冒顶高度及发生频率均显著降低袁 过断层期间无设备下沉和支架钻底现象发生曰 超前注浆加固为工作面顺利通过断层构造带及生产安全提供了保障遥关键词：综放工作面曰 断层曰 超前注浆加固曰 注浆材料中图分类号：TD355文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)08-0091-03Grouting Reinforcement Technology for Fault Crossing of 31113 Fully-mechanizedTop Coal Caving FaceLIU Mingliang(Lanhua Yongsheng Coal Industry Co.,Ltd.of Pinglu District,Shuozhou City,Shanxi Province,Shuozhou 036800,Shanxi,China)Abstract:Due to the breakage and poor bearing capacity of coal and rock mass during the fault crossing period of the fully-mechanized top coal caving face,the problems of equipment subsidence,roof collapse and caving are easy to occur,whichseriously threaten the production safety of the working face.Taking the 31113 fully-mechanized top coal caving face in YongshengCoal Mine as the research object,the fault crossing technology of advanced grouting reinforcement of coal and rock mass in theface was studied by using the research methods of theoretical analysis and field measurement.The field application results showedthat the integrity and bearing capacity of the coal and rock mass in the working face were significantly improved after theadvanced grouting reinforcement,and the coal wall slope depth,roof fall height and the occurrence frequency in the working facewere significantly reduced,so there was no equipment subsidence and support bottom drilling during the fault crossing period;theadvance grouting reinforcement provided guarantee for the working face to smoothly pass through the fault structural zone andproduction safety.Key words:fully-mechanized top coal caving face;fault;advanced grouting reinforcement;grouting materials（总第 215 期）技术研究912023 年第 8 期2023 年 8 月H断层落差。图 131113 综放工作面布置及断层位置图2工作面过断层回采现状及影响因素分析2.1工作面过断层回采现状31113 综放工作面在推进至距切眼位置 40 m 处揭露 F3断层时采用强过断层回采工艺。受断层构造影响，煤层及围岩较为破碎，完整性、稳定性及承载能力较差。在工作面采动影响下，发生大范围冒顶、片帮现象，局部冒顶高度达 1.6 m，最大片帮深度为 4.2 m；且因底板较软，工作面设备下沉。亟须制定有效治理措施，以确保工作面生产安全。2.2影响因素分析2.2.1煤层结构影响31113 综放工作面开采的 11 号煤层结构复杂，内部含 4 层泥岩夹矸。虽然夹矸厚度不大，但是因降低了煤体的胶结程度而破坏了煤层的整体性和稳定性，使得 11 号煤层单轴抗压强度不足 16 MPa。在工作面采动影响下，煤体内部极易形成“松动圈”，严重影响了煤岩承载结构的形成，降低了煤岩的承载性能6，8。现场调查发现，在工作面过断层期间，工作面端面顶板发生破碎，并向前方煤体发育和延伸。表 111 号煤层顶底板基本情况顶底板名称岩性平均厚度/m岩性描述老顶石灰岩5.25灰黑色石灰岩，含方解石脉及动物化石直接顶石灰岩0.96深灰色石灰岩，含方解石脉，局部缺失直接底泥岩1.15深灰色泥岩，致密、性脆，有根部化石老底砂岩5.47灰色中粒石英砂岩，含黄铁矿结核2.2.2断层构造影响31113 综放工作面煤岩层基本位于单斜构造区，地质构造相对单一。在工作面推进至距切眼位置 40 m 处揭露 F3断层。该断层落差为 5.6 m，在其影响范围内形成断层破碎带，导致工作面在揭露该断层时矿压显现剧烈。工作面回采形成的超前支承压力在断层范围内释放，形成卸压区，导致断层范围内煤岩体内部裂隙发育、扩展和连通，工作面煤岩体破碎程度进一步增大，进而引发冒顶、片帮3-5。2.2.3回采工艺影响31113 综放工作面采用倾斜长壁综合机械化低位放顶煤采煤法采煤，采用全部垮落法管理顶板。工作面割煤高度 2.7 m，放煤高度 5.1 m，采放比为 1颐1.9。受放顶煤工艺影响以及工作面移架过程中支架顶梁对顶煤的切顶破坏作用，顶煤的破碎程度加剧，且工作面端面顶板裂隙的发育及向前方煤体的延伸，降低了顶板承载能力，导致集中应力向工作面煤壁传递，引发工作面煤壁片帮现象7。3超前注浆加固技术方案设计3.1超前注浆加固机理工作面超前注浆加固是指在工作面施工超前注浆钻孔，采用注浆泵通过注浆钻孔向工作面前方一定范围内的破碎煤岩体注入化学黏结浆体，注浆材料在破碎煤岩体裂隙内渗透并固结，从而提高破碎煤岩体的整体性和胶结性2，5。注浆材料凭借固结后具有的较高抗压强度和韧性等特性，使得注浆后破碎煤岩体的稳定性和承载能力显著增强，进而增强了煤岩体自支承北31113 运输巷超前注浆钻孔31113 综放工作面31113 材料巷31111 工作面采空区31115 工作面5 m120 m40 m160 m922023 年 8 月2023 年第 8 期作用，在一定程度上达到了降低支护结构所承受压力的作用8。3.2超前注浆钻孔布置基于 31113 综放工作面实际生产地质条件，设计在 31113 材料巷内施工超前注浆钻孔，对 F3断层影响范围内破碎煤岩体进行加固。钻孔开口位置距工作面底板垂距 1.2 m，钻孔间距 5 m，钻孔直径 42 mm，钻孔深度 30150 m，钻孔角度为 10毅仰角。工作面超前注浆钻孔布置情况如图 1 所示。3.3注浆施工方案3.3.1注浆材料选择目前常用的有机化学注浆材料主要有煤基膏体材料、铝基高水系材料和马丽散 3 种类型。其中，马丽散凭借黏度低、扩散速度快、凝固时间短、胶结性能好以及具有较好的抗冲击性、抗老化性和耐磨性等优点而应用最为广泛。设计采用马丽散作为超前注浆加固材料，马丽散与催化剂的配比为 1颐1。3.3.2注浆工艺及时间选择注浆钻孔施工完毕后，将注浆管与气动高压注浆泵连接进行注浆。注浆期间注浆压力保持在 2.0 MPa，注浆量和注浆时间根据注浆钻孔深度而定。当注浆钻孔附近有注浆材料溢出时，应立即停止注浆。3.3.3封孔工艺注浆钻孔封孔工艺是超前注浆加固效果的关键影响因素之一。设计采用的封孔工艺为：在注浆钻孔施工完毕后，对钻孔孔口进行扩孔处理，扩孔深度不小于 500 mm，扩孔段钻孔直径为 60 mm；扩孔完成后，向注浆钻孔内依次安装注浆管、封孔器、注浆花管和混合枪，连接马丽散与催化剂的支管在混合枪处混合后经过注浆管和注浆花管注入钻孔内。超前注浆钻孔封孔工艺示意图如图 2 所示。图 2超前注浆钻孔封孔工艺示意图4现场应用效果分析为评估永胜煤矿 31113 综放工作面过 F3断层超前注浆加固的效果，对超前注浆加固后工作面过断层期间的矿压显现进行了现场观测，并对超前注浆加固前后矿压显现观测结果进行对比分析。超前注浆加固前后矿压显现情况如表 2 所示。表 2超前注浆加固前后矿压显现情况对比分析表 2 数据可知，31113 综放工作面过 F3断层期间，相较于进入超前注浆加固区前，进入超前注浆加固区后，煤壁最大片帮深度由 4.2 m 减小至 1.8 m，片帮发生率降低了约 66.7%；工作面最大冒顶高度由1.60 m 减小至 0.52 m，冒顶发生率降低 50%。并且，期间未发生设备下沉和支架钻底现象。由此可见，采用超前注浆加固后，煤壁片帮深度、工作面冒顶高度及发生频率均显著降低，表明超前注浆加固技术的应用有效增强了断层影响范围内的煤岩体整体性和稳定性。5结束语基于永胜煤矿 31113 综放工作面过 F3断层期间的回采现状，分析指出煤层结构、断层构造和回采工艺是导致工作面过断层期间煤壁片帮深度、工作面冒顶高度较大的关键影响因素。结合 31113 综放工作面过F3断层实际生产地质条件，提出采用超前注浆加固技术的安全过断层方案，并对注浆钻孔布置、施工及封孔工艺进行了设计。现场应用结果表明：对工作面过断层范围进行超前注浆加固后，煤壁片帮深度、工作面冒顶高度及发生频率均显著降低，为工作面过断层期间的安全生产创造了有利条件。参考文献：1张健.综放工作面过断层破碎带注浆加固技术应用 J.山东煤炭科技，2022，40(10)：17-20.2饶海斌.塔山煤矿综放工作面过断层回采工艺应用研究 J.现代矿业，2022，38(1)：62-66.3徐刚.大采高综采工作面过断层技术研究 J.山西能源学院学报，2019，32(3)：26-28.4齐晋楠.伏岩煤业 3202 工作面过断层注浆加固技术 J.煤，2021，30(9)：41-42.5冯志强.增子坊煤矿 5306 工作面过断层补强支护技术措施 J.山东煤炭科技，2022，40(9)：77-79.6赵海峰.四台矿 81003 工作面过断层注浆加固技术研究与应用 J.煤矿现代化，2021，30(6)：120-121.7张勇.注浆加固技术在综采工作面过断层时的应用 J.江西煤炭科技，2021(3)：69-71.8袁宏树，闵伟森，杨东.311203 综采工作面过断层技术及安全措施研究 J.山东煤炭科技，2022，40(9)：51-53.（编辑：高志凤）项别煤壁最大片帮深度/m煤壁片帮次数/（次 班-1）工作面最大冒顶高度/m工作面冒顶次数/（次 班-1）超前注浆前4.261.602超前注浆后1.820.521单位：m钻孔 花管 封口器注射管混合枪接马丽散接催化剂1.000.251.005.00刘明亮：31113 综放工作面过断层注浆加固技术研究93