预注浆技术在综放工作面断层及松软底板加固中的应用

预注浆技术在综放工作面断层及松软底板加固中的应用
黄燕波
【摘要】同煤大唐塔山煤矿8110综放工作面通过断层破碎带时,对煤层底板采用
超前预注浆技术加固,使得断层附近的煤层及底板破碎区完整性和承载力得到提高,
杜绝了刮板输送机及液压支架的扎底下陷,保证了回采工作的顺利推进,实现了底板
预加固目标.
【期刊名称】《建井技术》
【年(卷),期】2017(038)006
【总页数】4页(P30-32,51)
【关键词】综放工作面;断层破碎带;煤层底板;预注浆
【作者】黄燕波
【作者单位】同煤大唐塔山煤矿有限公司 ,山西大同 037001
【正文语种】中文
【中图分类】TD265.4+8
综采工作面过断层带时，往往会出现冒顶、片帮现象，影响煤矿安全生产。

随着煤矿综采技术的普及及支架重量的加大，软岩底板和断层破碎带区域底煤逐渐不能承受重型设备重量，造成设备下陷，严重影响回采工作的开展。

作为底板加固重要举措之一的预注浆技术，可有效提高底板整体承载力，防止支架陷底现象发生[1-3]。

1 工程概况
同煤大唐塔山煤矿位于山西省大同市南郊，设计生产能力15 Mt/a；井田断层共
有75条，多为正断层。

8110综放工作面位于一盘区中部，工作面中部至尾部对
应上覆侏罗系14号煤层古窑采空区。

工作面倾斜长度207 m，煤层厚度7.14～19.34 m，平均14.70 m。

煤层倾角1～3°，f=2.7～3.7。

煤层含夹矸7～13层，平均厚度1.67 m，岩性为炭质泥岩和高岭岩。

8110工作面在回采初期，即已发现有2条断层，断层落差分别为7.1和5.4 m。

由于这2条断层的存在，使得在工作面中间煤层底板形成了最宽达70 m，呈逐步变窄的煤层陷落破碎区域，导致此区域煤层下陷有2 m左右，且松软破碎，严重
影响刮板输送机及液压支架的推进。

前期已出现过支架陷底现象，导致支架不接顶、空顶、冒顶现象发生，回采工作不能正常进行；且随着工作面继续推进，后期下陷破碎区域会继续严重影响安全生产，需要及时进行加固治理。

2 底板预注浆技术及参数
2.1 注浆方案设计
鉴于8110综放工作面地质情况和生产现状，经过经济、技术比较，确定不采用危险性较大的工作面开切眼浅孔注浆方案，而采用稳妥可靠的工作面运输巷下陷区域煤壁深孔预注浆加固方案，加固范围为采位950～1 365 m。

工作面运输巷采位950～1 210 m范围内破底0.5～1.4 m，煤岩相互交替，煤体疏松，设计每3 m
布置1个钻孔，孔深30～50 m；采位1 210～1 365 m范围内为底煤区，底煤厚1.0～5.1 m，钻孔间距同样设计为3 m，孔深25～30 m。

钻孔俯角根据底煤厚度，进行调整，保证注浆能够固化底煤区。

由于受注煤岩层裂隙发育不良，注浆难度大，注浆过程中，需适当调节水泥浆液浓度及化学浆A、B料的比例。

根据试验，化学浆A、B料体积比确定为3∶1。

同时由于注浆压力较大，如何成功进行封孔止浆是本次施工的重点。

经论证，本次施工采用止浆塞封孔止浆；若效果不好，则改用孔口管固管封堵。

2.2 注浆材料选取
破碎煤岩体注浆加固材料主要有水泥类与化学注浆材料两大类。

前者包括单液水泥浆、水泥-水玻璃双液浆等，主要用来充填加固空隙较大的围岩；后者属于有机高
分子材料，主要用来充填加固裂隙发育较小的围岩。

结合本工程特点，首先选用单液水泥浆注浆；若效果不佳，则改用化学浆[4-5]。

单液水泥浆选用P·O 42.5水泥配制，化学浆选用安全、无毒、阻燃的改性脲醛树脂。

2.3 注浆方式与工序
采用深孔预注水泥浆或化学浆，加装止浆塞(孔口管固管)。

注浆施工工序：钻进→撤钻杆→加装止浆塞(孔口管固管)→注浆。

2.4 注浆封孔结构
注浆初期，采用止浆塞封孔，封孔效果差；后重新进行设计，并经过不断试验改进，最终确定采用孔口管封孔结构(见图1)。

即采用2根φ20 mm钢管(孔口管)，1根6 m长，1根3 m长，通过3 m长钢管注双液浆，将孔口管整体封堵；然后通过
6 m长钢管注浆，钢管外露端缠麻丝加以封堵固定。

图1 孔口管封孔止浆结构
2.5 注浆钻孔布置
工作面运输巷950～1 365 m区间布置注浆钻孔，钻孔直径65 mm，间隔3 m
布置，孔深25～50 m，在煤壁上方1 m处开孔。

底煤下堑深度在2～4 m之间，经计算，开孔俯角为7～11°，为便于施工，取10°。

注浆钻孔平面布置如图2所示。

图2 8110工作面底板预注浆钻孔平面布置
2.6 注浆压力
注浆压力太小或太大都不合理，会导致出现注浆盲区和安全隐患。

一般而言，最大
注浆压力宜取受注点静水压力的2.0～2.5倍[6]。

注浆点静水压力取4.5 MPa，则最大注浆压力为9～11.25 MPa。

结合现场实际情况，本次最大注浆压力取10 MPa。

2.7 浆液扩散半径
浆液扩散半径与注浆压力、浆液浓度、裂隙发育程度、注浆工艺等有关。

一般情况下，注入的浆液扩散是不均匀的。

根据经验数据，此次浆液扩散半径取2.0 m。

2.8 注浆量
不同煤岩体具有各项异性，导致浆液注入量差异化严重。

一般注浆压力达到终压时，钻孔基本不吸浆，保持终压0.5 h左右，即可结束注浆。

注浆量采用下式计算[7]：Q =NAπR2Hβη/m
式中：Q为浆液总注入量，m3；N为注浆孔个数；A为浆液消耗系数，取1.2～1.5；R为浆液有效扩散半径，m；H为注浆孔深度，m；β为浆液充填系数，取0.8～0.9；η为岩层平均裂隙率，取1%；m为浆液结石率，取0.85。

本次注浆，钻孔深度为25～50 m，浆液有效扩散半径取2.0 m，经计算，单孔注浆量为3.5～7 m3；90个注浆孔，总注浆量为315～630 m3。

3 注浆效果评价
现场使用2台2TGZ-60型注浆泵注浆，额定功率11 kW，生产能力可达60
L/min。

采用单液水泥浆和改性脲醛树脂化学浆交叉注浆，加固煤层底板。

钻注施工历时59 d，累计完成了90个钻孔的钻注施工，水泥浆单孔最大注浆量
达到2.4 m3，化学浆单孔最大注浆量达到3.3 t，共注入水泥浆67.7 m3、化学浆30 t。

该工程实际注浆量小于预计注浆量，推测是煤层裂隙率和浆液扩散半径取值与实际有偏差所致。

注浆效果评价方法，可分为点状、面状检测两大类。

前者主要采用钻孔取样、钻孔
内注水试验等原位测试技术来检测；后者主要采用工程物探手段，对注浆范围、效果进行全面检测。

现阶段注浆效果单一评价方法误差较大，只能进行定性评价。

现场注浆施工后，回采工作面已顺利通过全部注浆区域；刮板输送机和液压支架推进正常，未出现下陷现象，表明注浆加固效果良好。

井下注浆固结后的煤样如图3所示。

图3 井下注浆固结后的煤样
4 结语
(1)本次注浆工程施工中，首次尝试通过注浆加固煤层底板的方法来保证8110综
放工作面顺利通过断层破碎带，并对注浆及封孔技术进行了改良，成功解决了较小裂隙率煤层底板可注性难题。

(2)合理选用注浆材料，使破碎煤层底板完整性和承载力得以提高，形成有力的支
撑体系，实现了注浆加固预期目标，保证了刮板输送机和液压支架的顺利推进，创造了较好的技术经济效益。

参考文献：
[1] 侯进山.21101综采面底板注浆改造技术研究及应用[J].煤炭工程，2013，
45(6)：55-57.
[2] 张永成，董书宁，卢相忠，等.矿井注浆施工手册[M]．北京：煤炭工业出版社，2013：302-309．
[3] 牛秀清，王桦，刘书杰.华北煤田下组煤底板岩溶含水层注浆改造技术应用及
发展趋势[J].建井技术，2017，38(3)：24-30.
[4] 冯志强，康红普，韩国强.煤矿用无机盐改性聚氨酯注浆材料的研究[J].岩土工
程学报，2013(8)：1559-1564.
[5] 吴怀林，乔正华，宦秋成，等.化学注浆技术在治理斜井流砂层中的应用[J].建
井技术，2015，36(5)：10-14.
[6] 董凯.注浆加固在倾斜煤层综采面过断层带中的应用[J].煤，2015，24(8)：19-21.
[7] 刘嘉材.化学灌浆[M]．北京：水利电力出版社，1988．。