主动治理断层技术在兴安煤矿的成功应用
时间：2023-04-24 10:25:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张秉德，李宝柱，连鸿全
（黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司，黑龙江 鹤岗 154100）
由于断层构造的存在及影响，工作面采动及断层活化耦合作用致使煤岩体的强度降低，围岩稳定性减弱，支架支护阻力降低和位态变差、顶板超前抽冒、煤壁片帮，严重的可能会造成挤架、压架，严重影响工作面安全高效回采[1-6]。为加强采煤工作面全过程灾害风险预控工作，避免采煤工作面过断层造成大幅度减产，鹤岗矿业公司树立“断层就是风险，风险不防控就是隐患”的理念，积极将采煤工作面被动过断层变为超前主动治理断层[7-9]。公司所属兴安煤矿综采四队开采三水平南33层边界区二段二分层工作面因接续问题外延过一分层停采线回采期间，一分层停采线板头区域及断层处顶板破碎。通过采取对停采线及断层附近破碎的煤岩进行注浆加固[10-14]，解决了采煤工作面过破碎带时顶板抽漏的问题，为工作面超前治理断层，实现安全稳产积累了经验。
兴安煤矿是龙煤集团鹤岗矿业公司下属生产能力为2.70 Mt/a的大型矿井，位于鹤岗煤田南部，井田煤层赋存较稳定，结构多为复合煤层。随采深增加，矿压明显增大，特别是采煤工作面过破碎带时，顶板抽漏的问题给安全生产带来了隐患。兴安煤矿33层为坚硬厚煤层开采，因煤质坚硬不宜放煤开采而采取分层开采模式。开采的三水平南33层边界区二段二分层工作面，为延缓接续需要过一分层停采线过板头和Fi、Fm两处断层开采，走向外延60 m，为保障该面顺利过一分层板头及断层开采，工作面超前采取了预注浆主动加固措施。工作面分层巷道布置及断层分布情况如图1所示。
图1 工作面分层巷道布置平面
工作面过断层破碎带主要采取预注浆加固措施。注浆输送技术是采用一种物料或以多种特殊材料配比搅拌制成一种浆液，用自动压送浆设备连续将注浆液体压入较松软的地层、裂隙性高含孔隙水层或未破碎的地层介质中使其凝固并胶结，起到堵孔隙水层或粘结加固地层作用的新技术[15-19]。注浆方法大致有：填充型注浆、渗透式注浆、压密法注浆和劈裂法注浆四种方法。注浆机常用注浆材料按分类有粒碎末状浆材和化学浆材，粒状浆材分类主要指的是各种硅酸盐水泥浆，化学浆材类主要包括多种硅酸盐材料（水玻璃）浆料和其他各种有机高分子浆材[20-21]。采煤工作面破碎顶板预先注浆加固施工技术广泛用于采煤工作面顶板破碎、易露漏顶缝或过断层构造带加固等。
3.1 预注浆工艺
（1）打钻注浆设施。打眼使用ZY-150型钻机、配备50 mm钻杆，ϕ75 mm钻头，Y型液压泥浆泵1台；
注浆使用搅拌机1台、流量传感器1台；
压力传感器1台；
灌浆记录仪1台，对讲机数台[22]。
（2）打钻注浆流程。打开泵注浆管孔口盖→拧紧安装管螺纹/固定泵注浆管头孔→拧紧用海麻包钉固定扎管堵头泵注浆管路螺纹固定/堵头泵临时封孔→封孔泵注浆封口→连接注浆泵→连接注浆管路→注浆。
（3）钻孔布置方式。在三水平南33层边界区二段轨道施工钻孔，采用平行钻孔、扇形钻孔布置，钻孔的孔底打至一分层停采线及断层破碎带。超前注浆钻孔布置情况如图2、图3所示。
图2 超前注浆钻孔布置平面
图3 超前注浆钻孔布置剖面
3.2 “两堵一注”带压封孔
采用“两堵一注”带压封孔技术，如图4所示。两端采用布头和封孔剂（聚氨酯）封堵，中间使用封孔泵带压注入水泥浆，并多次进行补注。实际封孔效果如图5所示。
（1）封孔施工工艺。①钻孔封孔长度：封孔长度5 m，孔口围岩破碎时封孔长度增长至10 m。②钻孔内下10 m长的1寸铁管，一长一短2根4分铁管。③钻孔封堵：在1寸管5 m（或10 m）处裹2袋封孔剂（聚氨酯下入孔前将聚氨酯揉搓混合后绑扎），迅速将1寸管下至钻孔内。④下完10 m长的1寸管后，再向孔内下两根4分铁管，一根长1.5 m的4分注浆管，另一根长5 m或（或10 m）的返浆管，并确保管路畅通。⑤封堵孔口：塞入2袋混合好的封孔剂（聚氨酯），末端再用布条堵严，防止封孔剂淌出，确保严密。⑥注浆：采用BEK-10/2.4型煤矿用封闭孔泵向4分注浆管孔灌注水泥浆，注满后，从另一根4分返浆管出浆后停止注浆（第一次泵注浆的压力大约为1.0 MPa，用闷盖轻轻将另一根4分出注浆管盖上，并用少许清水充分冲洗注浆管，间隔至少3h后再行补加注第二次，使泵压一直稳定地在1.8 MPa以上，最后将注浆管盖上，水灰比≤0.7:1）。⑦封孔24 h后，孔内浆液凝固后，开始向1寸管内注浆。
（2）多次补浆。普通的压封孔工艺是在压封好一个孔体后，水泥浆长时间未凝固导致钻孔容易发生收缩变形而出现收缩缝，致使钻孔可能出现一些漏气变形等一系列问题，采用多次钻孔补注浆技术后则可有效地减少变形收缩缝的产生，解决钻孔漏气问题。
（3）适用条件。“两堵一注”带压封孔技术，适用于倾角不大于20°的钻孔。
（4）注意事项。①钻进时控制钻头的钻进速度，保证钻孔施工平直，孔内煤岩破碎，钻屑量大时，往复倒钻排净孔内钻屑，确保封孔管及注浆、返浆管能够顺畅下入孔内。②钻孔封孔距离内孔径不小于80 mm，终孔下钻要清扫钻孔内钻屑，为封孔提供良好条件。③封孔前需将封孔材料准备好，管路入孔前必须清除管内杂物，确保畅通。
图4 两堵一注封孔
图5 实际封孔效果
3.3 水泥浆制作
（1）水泥浆配比。注浆使用水、高标号水泥、灌浆剂等按比例进行调配、然后用搅拌机搅拌均匀；
液态时间120 min浆液配比系数:水泥（P.O42.5）:灌浆剂:水（质量比）=100:6:55.1；
液态时间50 min浆液配比系数:水泥（P.O42.5）:灌浆剂:水（质量比）=100:8:56.2；
液态时间30 min浆液配比系数:水泥（P.O42.5）:灌浆剂:水（质量比）=100:10:57.2，配料期间严格使用电子秤进行称重确保达到配比要求。
（2）水泥浆制作。步骤如下：①使用白色量筒（15 kg容量）装水，放在电子秤上称重计数（电子秤不得沾水，防止损坏），然后倒入搅拌桶内（确保桶内未存水），累计倒入配比系数的水（2h为165.3 kg、50 min为168.6 kg、30 min为171.6 kg）；
②按比例先将粉状添加剂（2h为18 kg、50 min为24 kg、30 min为30 kg）加入清水中，打开搅拌泵开关搅拌2 min后，倒入6袋水泥（300 kg），搅拌5 min完成。打开注浆泵注浆，注浆过程中边注浆边用搅拌机搅拌；
③第一个搅拌桶注浆过程中，在另一个桶内配比相同浓度的浆液备用，确保注浆连续，如需更换配比浓度，按配比系数进行调配。
兴安煤矿三水平南33层边界区二段工作面通过打钻注浆，带压水泥浆渗入破碎的煤岩体及裂隙中，通过多次间隔性的带压注浆，注浆压力14～17 MPa，使破碎带充满水泥浆，水泥浆凝固后，与破碎的煤岩体胶结成一体，达到加固破碎带的目的，使顶板围岩稳定性度得到加强，保障到了该工作面开采过程的稳定顺利进行。
自2021年9月17日开始对试验工作面进行打钻注浆工作，截至10月1日施工钻孔29个孔，注浆27个孔，注浆190罐（水泥57 t、灌浆剂3.42 t、水31.4 t）。工作面一分层停采线破碎带注浆加固完工后，10月2日开始继续对Fi、Fm断层破碎带进行注浆加固。10月10日工作面采过一分层停采线，停采线处顶板实见水泥浆与煤岩体胶结形成的再生顶板，再生顶板较完整，工作面过一分层停采线注浆段时，顶板无抽漏现象。打钻注浆成功解决工作面过破碎带顶板抽漏的问题，为矿区其他工作面开采提供了可借鉴经验。
该工作面通过向一分层停采线板头区域及断层破碎带注浆加固，成功推采过一分层停采线，工作面外延60 m，多回采原煤0.053 Mt，创造经济效益3 180万元。
注浆加固技术已成为工作面过断层、顶板破碎带对围岩体主动治理的关键技术，其工艺简单实用。通过超前实施打钻注浆解决了破碎带回采工作面顶板抽漏问题，保证了施工人员的安全，提高了生产效率。在安全管理方面，从原来的被动支护，转变为应用注浆加固主动进行防护，使工作面过破碎带开采真正实现了安全、高效。打钻和注浆支护技术还可用于软岩破碎带巷道加固，压力较大岩石巷道等的围岩加固，应用前景广泛。
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