采煤工作面过断层顶板冒落控制技术研究_姜佼.pdf

图 2注浆系统结构示意图采煤工作面过断层顶板冒落控制技术研究姜佼（山西省汾西矿业（集团）有限责任公司双柳煤矿，山西柳林033300）摘要：针对某矿 10302 综采工作面过 F8 断层破碎带期间顶板冒落问题突出现状，提出以预注浆增强断层破碎带煤岩体稳定性的方案，减少顶板冒落及煤壁片帮等给生产带来的影响。根据现场情况对注浆钻孔布置及注浆工艺参数等进行设计。现场应用表明，超前注浆后断层破碎带煤岩体强度及稳定性等明显提升，过断层破碎带时基本不出现冒顶或者片帮等问题。关键词：煤炭开采；断层破碎带；顶板冒落；超前注浆；化学浆液中图分类号：TD82文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0223-030引言控制采面顶板稳定是实现煤炭高效开采基础，采面回采过断层破碎带时受到围岩破碎、承载能力较差等因素影响，顶板容易出现冒落问题，给采面煤炭开采带来制约1-3。为此，众多的研究学者对采面过断层构造期间顶板控制技术展开研究，其中韩继欢等4针对矿井掘进巷道地质条件复杂、围岩裂隙发育以及围岩涌水等问题，提出使用水泥-水玻璃双液对围岩进行加固，提高围岩强度并封堵裂隙，为巷道安全掘进创造良好条件；秦续峰等5针对巷道掘进过含水断层期间面临顶板冒落以及涌水量大等问题，提出使用改性聚氨酯树脂加固围岩，巷道得以安全掘进通过断层。采用注浆方式提高破碎不稳定岩体强度及承载能力是实现采面及顶板岩体控制的主要技术措施之一6-8。以山西某矿 10302 综采工作面回采过 DF12断层为工程背景，针对过断层期间频繁出现漏顶以及片帮等问题，提出通过预注浆耦合加固技术提升断层破碎带顶板易冒区稳定，为采面煤炭安全高效回采创造良好条件。1工程概况10302 综采工作面回采 10 号煤层，煤厚 3.895.21 m、均值 4.25 m，倾角 720，采面设计开采高度 4.2m。10 号煤层顶底板岩层岩性及厚度在不同区域有明显差异，顶底板粉砂岩及砂岩具备有强度低、松软以及容易风化特点。根据采面瞬变电磁探测以及回采巷道掘进显示，在 10302 综采工作面开采范围内存在有 F18 正断层（H=4.9 m，11254），该断层靠近风巷及机尾位置影响长度分别为 51 m、18 m，在断层影响范围煤层及顶底板松软。10302 综采工作面在回采至 F8 断层影响区时（见图 1），顶板冒落以及煤壁片帮等问题较为突出，给煤炭回采带来显著制约。需要依据现场条件，提出针对性顶板控制技术措施，以便提高采面煤炭过断层破碎带安全性，矿井依据现场情况并通过技术研讨，提出采用注浆工艺加固。2断层破碎带注浆加固技术的应用煤矿井下常用的冒顶处理技术包括有打木垛法、穿梁法、架棚法以及锚网索支护法等，上述技术方法均不同程度存在施工环境恶劣、劳动强度大以及施工工作量大等问题9-10。针对 10302 综采工作面在回采至 F8 断层破碎带期间顶板冒落问题，提出首先使用罗克休材料对顶板冒落区进行充填，后综合使用博特威以及马丽散对破碎不稳定煤体及易冒落顶板进行加固，实现顶板稳定。2.1注浆系统结构在 10302 综采工作面 F8 断层超前注浆工艺包括钻孔施工、钻孔封孔及注浆等工序，钻孔钻进使用锚杆钻机、回转钻机及煤电钻机等配合完成，钻孔钻进一般通过锚杆钻进实现，动力源为井下压风；注浆钻孔采用专用封孔器封孔，并通过注浆泵、高压软管以及专用注射枪等将注浆材料注入到注浆孔内，实现断层破碎带不稳定煤岩体加固。注浆系统结构见图2 所示。收稿日期：2022-04-20作者简介：姜佼（1988），男，山西运城人，本科，毕业于大同大学，工程师，现从事采矿工程方面的工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.085图 1采面 F8 断层分布位置示意图F8正断层10302 风巷51 m 33 m10302 工作面10302 机巷18 m85 m123456781注浆管；2专用封口器；3注浆铁管；4专用注射枪；5高压胶管；6注射泵；7树脂材料；8催化剂技术应用山西冶金E-mail:第 46 卷2.2注浆钻孔的布置当 10302 综采工作面回采至 F8 断层影响范围内时，按照 3 m 间隔布置注浆钻孔，孔径 42 mm、孔深3 200 mm，仰角 45。使用锚杆钻机在紧邻 2 个液压支架间施工注浆钻孔，钻孔与采面煤壁间保持 45仰角，通过注浆钻孔向破碎不稳定岩体注入注浆材料。在 10302 综采工作面过断层破碎带期间，每天安排 1 个注浆班、2 个生产班，注浆完成后允许推进2.4 m，通过循环注浆确保顶板稳定、避免出现冒顶或者片帮等问题。2.3顶板及煤壁的加固通过注浆钻孔将马丽散、罗克休以及博威特等注浆材料注入到原本破碎、松散岩体中后，注浆材料会充填顶板孔隙、空洞并胶结破碎岩体，从而形成结构相对稳定且具备一定承载能力的再生顶板。使用锚杆钻机等在采面煤壁上施工注浆钻孔，并将马丽散、罗克休以及博威特等浆液注入到煤壁中，可提高煤壁强度、避免在过断层破碎带期间出现片帮问题。现场钻进时使用的锚杆钻机，配合 42 mm 钻头、38 mm 钻杆。注浆管使用直径 4 寸钢管，长度控制在 2 0004 000 mm，当注浆钻孔难以成孔时则配合使用中空注浆锚杆进行注浆。2.4注浆参数10302 综采工作面过断层破碎带期间无淋水，注浆期间注浆液在注浆孔以及煤岩体破碎裂隙中流动期间出现摩擦阻力，使注浆压力减小。适当增加注浆压力可提高浆液在断层破碎带煤岩体中扩散距离并提升浆液充填效果。特别是浆液在破碎顶板中扩展时，浆液沿着破碎顶板裂隙扩展受到较大的阻力作用，结合以往注浆浆液以及现场条件，将现场注浆压力确定为 46 MPa。注浆量受注浆时间、压力、裂隙扩展、破碎程度等因素影响，注浆时注浆量应能满足现场破碎煤炭加固需要。结合有关理论研究成果，计算得到采面注浆钻孔单孔注浆量应控制在 55105 kg。2.5注浆材料现场注浆时采用的马丽散、罗克休以及博威特等材料均包含有催化剂、树脂，将材料混合后注入到断层破碎带煤岩体裂隙中，浆液出现反应就即可充填破碎带裂隙，提高围岩完整性及强度。罗克休包括催化剂及树脂，混合后体积膨胀 2530 倍，整个过程反应速度在 2030 s，材料混合完成 20 min 后硬度即可达到 0.2 MPa，具体罗克休材料性能参数见表 1 所示。马丽散中树脂及催化剂按照一定配比混合后，浆液胶结后会呈现较强的粘合力以及较高强度，具体使用的马丽散材料性能参数见表 2 所示。博威特具备有渗透性好、黏度低等优点，可实现破碎煤岩封堵同时胶结后强度较高。采用博威特加固破碎煤岩体可起到较为显著的应用效果。3现场应用效果在 10302 综采工作面过 F8 断层破碎带期间通过采面注浆方式对断层破碎带不稳定、破碎煤岩体进行加固，期间共计注入马丽散 2 t、罗克休 5 t、博威特6 t。注浆前后冒落及煤壁片帮情况统计结果见表 3 所示。通过对断层破碎带进行注浆加固，提高了采面顶板及开采煤层强度，明显减低冒顶及片帮对生产影响。4结论10302 综采工作面采高为 4.2 m，煤炭开采期间采动压力显著明显，采面在 F8 断层破碎带期间回采时在采动压力及围岩破碎等多因素作用下顶板冒落及煤壁片帮问题较为突出，在一定程度制约煤炭开采效率并带来较大安全隐患。为此，提出采用超前注浆方式对断层破碎带内不稳定煤岩体进行加固，注浆浆液选择可注性强以及效果显著的化学浆液，并对注浆钻孔布置及注浆加固方案等进行设计。现场应用后，10302 综采工作面在 F8 断层破碎带回采期间，冒顶及煤壁片帮问题得以较好解决，煤壁及顶板保持稳定，实现断层破碎带顶板易冒区有效控制。参考文献1王平，李江波，张瑞峰，等.浅谈综放工作面过断层破碎带注浆技术应用J.内蒙古煤炭经济，2020（17）：154-155.2马鹏程.采煤工作面过断层破碎带注浆加固技术探析J.当代化工研究，2020（7）：82-83.3左照全.浅谈综放工作面过断层破碎带J.山西焦煤科技，2013，37（11）：42-44.4韩继欢，付厚利.金田煤矿软岩巷道注浆堵水方案及应用J.煤炭技术，2014，33（8）：74-76.5秦续峰，周均忠.下山巷道过含水断层破碎带的注浆加固技术及应用J.煤炭与化工，2014，37（4）：61-63.表 1罗克休材料性能参数表 2马丽散材料性能参数项目密度/（g cm-3）V（树脂）V（催化剂）适用温度/树脂1.2411525催化剂1.32535项目密度/（g cm-3）V（树脂）V（催化剂）黏度/（MPa s）树脂1.0311200催化剂1.23200表 3注浆前后采面生产数据统计结果项目冒顶片帮坑木消耗量/m3（万 t）-1煤炭产量/（t d-1）原煤含矸量（质量分数）/%深度/m每班出现次数/次深度/m每班出现次数/次注浆前1.32.530.71.24360016注浆后0.30.610.30.521.280014.8比对结果-67%-50%-60%+33.3%-6.672242023 年第 5 期6乔奶平.化学注浆加固技术在综采面过断层破碎带中的应用J.山西煤炭管理干部学院学报，2013，26（3）：30-31.7尹艳奎，钱喜财.综采工作面采用新型聚合加固剂过断层破碎带的实践分析J.黑龙江科技信息，2012（14）：47.8杜志龙，张良，杨猛.断层破碎带化学注浆加固处理技术J.煤矿开采，2010，15（6）：61-62；82.9付文刚，张宝泰，王直亚，等.马丽散加固技术在破碎顶板工作面的应用J.煤炭科技，2010（1）：64-65.10汪忠江，于会军.采煤工作面采用加固技术过断层破碎带的实践J.煤矿安全，2008（6）：75-77.（编辑：苗运平）Research on Control Technology of Roof Caving Faults in Coal Mining FacesJiang Jiao（Shanxi Fenxi Mining(Group)Co.,Ltd.,Shuangliu Coal Mine,Liulin Shanxi 033300）Abstract:When the 10302 fully mechanized mining face passes through the F8 fault fracture zone,the problem of roof caving is prominent.Therefore,pre-grouting is proposed to enhance the stability of coal and rock masses in fault fracture zones,reduce the impact of roof cavingand coal wall spalling on production.Design the grouting drilling layout and grouting process parameters based on the on-site situation.Theon-site application shows that the strength and stability of the coal and rock mass in the fault fracture zone are significantly improved afteradvanced grouting,and there are basically no problems such as roof fall or rock fragmentation when passing through the fault fracture zone.Key words:coal mining;fault fracture zone;roof caving;advance groutin