工作面过断层注浆加固技术实践

林 瑶

(山西太原煤气化集团龙泉能源发展有限公司， 山西 太原 030000)

1 前言

断层是矿井常见的地质构造，当巷道掘进至断层区域时，受落差影响，围岩易出现破碎，造成巷道支护困难[1-2]。煤矿常用的锚网索支护虽然在一定程度上能够提高围岩的承载能力，但落差大的断层区域围岩破碎严重，出现“网包”，可能出现冒顶事故[3-4]。因此，通过采用注浆加固的技术，黏聚破碎围岩裂隙，减小松动圈，提高围岩的刚度和抗剪强度，减小掘进后围岩破碎程度，避免出现冒顶等事故，保证矿井的安全生产[5-6]。

2 工作面概况

龙泉煤矿4203工作面位于二采区东翼北侧，北部30m为原4201采空区，南部为实体煤，西部为四条开拓大巷。运输巷长2 520m，回风巷长2 520m，工作面长250m。工作面主采4#煤层，平均厚度6.47m。直接顶为厚6.06m中砂岩，基本顶为厚5.50m细-粗砂岩，直接底为厚5.09m细砂岩，基本底为厚9.70m粉砂岩与砂质泥岩互层。工作面两巷掘进期间共揭露14条断层，其中落差在2m以上的有12条，掘进后采用锚网索支护后围岩依然破碎严重，需要采用注浆加固技术加固围岩，提高巷道稳定性。

3 巷道原支护措施

4203工作面两巷围岩原采用锚网索支护的方式，锚杆、锚网、锚索支护的参数见表1。

锚网索支护虽然在一定程度提高了4203工作面两巷围岩的承载能力，但是断层区域支护后围岩变形量依然较大，需要进行注浆加固。

表1 锚网索支护参数

4 注浆加固数值模拟

4.1 模拟方案

F6断层机头将揭露F6断层(其产状为F6:140°∠75°，h=2.5m)，预计其影响本次预报范围内1#～61#支架。采用FLAC3D模拟F6断层区域注浆前后围岩变形量和塑性区分布，确定注浆加固围岩效果。根据4203工作面地质条件，建立380m×464m×45m的力学模型，垂直方向施加5.5MPa应力，材料参数见表2。

表2 工作面材料参数

4.2 模拟结果分析

1)未开采注浆前后围岩变形分析

4203工作面未开采时，通过模拟得到F6断层区域注浆加固前后围岩变形量，具体如图1所示。

图1 未开采注浆前后围岩变形量

由图1a可知，4203工作面F6断层区域采用注浆加固后顶板位移量有了明显的减小，注浆前后顶板最大位移量分别为31mm、13mm，注浆后相对于注浆前顶板位移量减小了58%，注浆加固有效改善了顶板位移量。

由图1b可知，4203工作面F6断层区域采用注浆加固后底板位移量也有所减小，但减小幅度不大。注浆前后底板最大位移量分别为11mm、8mm，注浆后相对于注浆前底板位移量减小了27%，注浆加固同样对工作面底板位移有所改善。

2)开采后注浆前后围岩变形分析

4203工作面回采后，通过比较F6断层区域注浆加固前后围岩塑性变形情况，注浆前工作面采空区围岩塑性变形破坏程度及范围相对注浆后大。围岩注浆前，当巷道掘进后断层区域围岩承载能力弱，发生了剪切变形破坏；注浆后，提高了断层区域围岩承载能力，巷道掘进后未出现塑性破坏。

4203工作面开采后，通过模拟得到F6断层区域注浆加固前后围岩变形量如图2所示。

图2 开采后注浆前后围岩变形量

由图2a可知，4203工作面开采后，F6断层区域注浆加固后顶板位移量减小。注浆前后顶板最大位移量分别为88.5mm、79mm，注浆后相对于注浆前顶板位移量减小了11%，注浆加固有效改善了顶板位移量。

由图2b可知，4203工作面开采后，F6断层区域注浆加固后底板位移量减小。注浆前后底板最大位移量分别为9.5mm、6mm，注浆后相对于注浆前底板位移量减小了37%，注浆加固同样对工作面底板位移有所改善。

此外，通过底板位移量正可以看出，表面巷道掘进后底板向上运动，出现底鼓，但是底鼓量相对顶板下沉量较小，注浆后底鼓量进一步减小，表明注浆加固取得了良好的效果。

5 工程实践

4203工作面断层区域两巷在锚网索支护的基础上，采用注浆加固提高围岩的承载能力。采用注浆锚杆施工，将注浆孔与锚杆合二为一。选用QB152型便携式注浆泵，注浆液采用高水速凝材料，分别顶板和两帮分别布置注浆钻孔。由于钻孔参数将影响注浆的效果，为进一步提高围岩的强度，依据工作面的围岩性质，注浆钻孔交错进行，顶板和两帮钻孔深度分别为4.5m和6m，孔径为5mm，间距为3～4m。

注浆管采用小于钻孔半径的钢管，注浆压力为5MPa以上。当注浆完成后，使用袋式封孔方式快速封孔，保证注浆液能够深入到岩层裂隙，黏聚破碎围岩裂隙，减小松动圈，达到提高围岩的刚度和抗剪强度目的。4203工作面两巷注浆钻孔示意图如图3所示。

图3 巷道注浆管与封孔图

4203工作面两巷断层区域采用注浆加固后，采用“十字布点”的方式监测巷道的围岩变形量，验证支护效果。通过“十字布点”监测运输巷1个月时间顶板位移量，监测结果见表3。

表3 “十字布点”监测运输巷顶板下沉量

由表3可知，运输巷采用注浆加固后，巷道顶板下沉速率逐渐减小，巷道趋于稳定。由此可知，注浆加固围岩取得了良好的效果，有效减小了围岩变形量，保证了工作面安全回采。

6 结论

(1)以4203工作面为研究对象，采用FLAC3D模拟F6断层区域注浆前后围岩变形量和塑性区分布，通过开采前后模拟结果可知，采用注浆加固后，围岩塑性区范围、顶底板位移量有了明显的减小。注浆改变了围岩的应力状态，提高了围岩的刚度和抗剪强度。

(2)根据工作面地质条件，设计了注浆钻孔、注浆液等参数及施工工艺。采用“十字布点”的方式监测巷道的围岩变形量，根据监测结果可知，注浆加固后运输巷顶板下沉速率逐渐减小，巷道趋于稳定，注浆加固有效减小了巷道围岩变形量。