复杂条件下断层超前治理技术研究与实践

汪培落

（中煤新集能源股份有限公司刘庄煤矿，安徽 阜阳 236200）

回采工作面受断层构造带的影响，围岩相对松散、破碎，完整性差，受工作面采动超前影响后，围岩稳定性进一步减弱，极易出现顶板超前抽冒、煤壁片帮，严重的可能会造成挤架、压架、倒架现象，严重制约工作面安全高效回采。采用了超前注浆加固的方式对断层影响范围内的破碎围岩进行了超前加固，根据断层的产状特征及赋存条件，提出了工作面断层超前治理预注浆综合技术方案，并进行了工程实践，以期对采煤工作面过断层提供借鉴。

1 概况

刘庄煤矿位于淮南煤田西部，行政区划属阜阳市管辖，东以F5 断层与谢桥矿毗邻，西以F12 断层与口孜东矿接壤，南以F1 断层（阜凤逆冲断层即淮南煤田南边界断层）及17-1 煤-1000 m 水平投影为界，北至1 煤层露头。矿井设计生产能力800万t/a，2018 年核定生产能力1100 万t/a。

刘庄煤矿为煤与瓦斯突出矿井，地质类型属于极复杂型，水文地质类型为复杂型。矿井范围内探明的煤层共计30 余层，总厚度33.80 m，含煤系数4.79%。可采煤层13 层，自上而下分别为17-1、16-1、13-1、11-2、11-1、9、8、7-2、6-1、5、5-1、4、1 煤，总厚度为29.51 m，占煤层总厚度的87.31%。其中主要可采煤层5 层：13-1、11-2、8、5、1 煤，煤层累厚为19.96 m，占可采煤层总厚度的67.64%。其中13-1、11-2、8 煤为稳定煤层，5、1 煤为区段稳定煤层。131306 工作面布置如图1。

2 断层超前治理技术

2.1 治理方案

针对采煤工作面内已探明落差＞1.5 m 的断层、落差＞3 m 且顶板破碎的断层，回采过程中常常出现顶板破碎片帮掉落风险，为改善断层附近围岩条件，提高围岩完整程度，采取超前注浆治理措施，主要分为两步：一是超前工作面300 m（未受采动影响）静态注浆，在工作面两巷内通过精准钻孔，采用渗透性强、固结围岩程度高的无机注浆材料对断层影响区域进行高压预注浆加固；二是超前工作面50 m（受采动超前支承压力影响）动态注浆，采用有机快速化学注浆材料对工作面松软煤壁进行局部注浆加固。

2.2 材料设备

结合生产实际，两巷超前静态治理具有注浆路线长、渗透半径大、强度高等特点，因而，注浆材料宜选用浆液流动性强、颗粒度小、胶结性高的材料，配比科学合理，能够显著提高注浆效果，改善过量的水导致的岩层弱化问题。工作面内静态超前治理，需控制在检修班施工，不影响生产班正常生产，因而，选用黏度低的动态超前注浆材料，能很好地渗入细小的裂缝中，黏合能力强与地层黏合效果好，柔韧性能够承受随后的地层运动，反应速度快，不影响工作面正规循环作业，具有良好的抗压性能、高闪点、阻燃、不产生有害气体的特点。

注浆泵选用注浆压力大、输送距离远、浆液输送量大的机具，因此，选择适合长钻孔断层预注浆加固工艺的注浆机具，需满足条件：注浆泵额定功率与设计注浆量匹配，注浆泵流量与设计注浆压力匹配，注浆泵注浆压力与设计注浆距离相匹配。

2.3 治理程序

为提高断层超前治理效果，固化回采工作面断层影响范围破碎围岩顶板，根据技术分析及现场实践，对断层治理全过程实施“五步法”管控。

2.3.1 精准预测预报

断层超前治理钻孔设计前，首先精准排查采掘范围内断层情况，对于采掘工作面断距大于3 m（或大于煤厚）的断层要进行精准预报，根据工作面已开掘巷道收集资料，结合物探、钻探、顺层钻孔等技术措施综合分析断层在工作面内的赋存情况，编制断层分析报告，每20 m 各绘制一沿工作面走向、倾向的地质剖面图，圈定断层可能摆动范围，为断层超前治理钻孔设计提供基础技术资料。

2.3.2 科学编制设计

断层治理设计须明确浅孔帷幕注浆及深孔高压注浆两个方面。浅孔低压注浆加固治理钻孔开孔附近围岩，深部钻孔采用高压劈裂注浆，提高浆液渗透半径。钻孔施工过程中，根据钻孔实测资料及时更新地质资料，并完善治理钻孔设计参数、设计原则。钻孔施工时应考虑煤层倾角、断层产状、开孔位置、钻杆漂移及回采层位等因素，根据钻孔深度及测斜试验结果确定钻孔控制层位，设计终孔位于上翻盘煤岩交界面以上3～5 m，终孔位置水平方向要穿过断层面3 m 左右，钻孔施工需进行钻孔测斜，实现精准打钻。

1）浅孔帷幕治理钻孔。为避免深孔高压注浆过程中漏浆、串浆，采用帷幕钻孔，加固巷帮煤体的同时形成封闭帷幕。沿巷道走向，在断层影响范围内施工巷帮水平钻孔（五花型布置）。根据实际经验，钻孔间距3～6 m，孔径32 mm，孔深5～8 m，采用胶囊封孔，Φ4 分钢管注浆，注浆加固深度0～10 m，注浆终压不低于4 MPa。

2）深孔高压注浆钻孔。依据地质资料，首先确定工作面回采坡度及层位，然后编制工作面断层治理钻孔设计。钻孔分2 种：一是断层探查验证钻孔，沿煤布置，提前施工，用于进一步探查验证断层位置及相关参数（工作面顺层钻孔可兼做探查孔使用），完善地质资料；二是超前治理钻孔，根据修订后的地质资料，完善断层治理钻孔设计，由工作面两顺槽开孔延伸至断层裂隙，钻孔须与断层正交或斜交，以增大钻孔穿过断层裂隙几率，钻孔路径须覆盖断层预计摆动范围，钻孔穿过煤岩交界面位置距离工作面回采层位顶板以上3～8 m，相邻钻孔煤岩交界面位置法线距离10～15 m，钻孔孔径94 mm，孔深不超过140 m，注浆压力15～20 MPa。

2.3.3 精细组织施工

1）两顺槽超前静态治理

① 造孔。依据断层治理设计钻孔，现场间隔施工第一组治理钻孔，避免连续施工，治理孔间距较近，注浆钻孔间相互串浆影响。对钻孔逐个进行全孔深测斜下套管，注浆管采用1 寸钢管+1 寸PVC实管+1 寸PVC 筛管（或使用Φ4 分或Φ6 分钢管替代），靠近终孔20 m 范围使用筛管，避免局部围岩松软破碎范围塌孔，造成管壁与围岩之间空间堵塞，影响注浆通道，时间不宜大于10 min，否则易造成岩层遇水弱化，影响注浆通道。

② 封孔。封孔质量直接影响施工安全及注浆的效果，封孔方式采用“两堵一注”耐高压囊袋封孔，即在注浆孔内设计封孔位置设置一个囊袋，在距孔口约0.5 m 位置设置另外1 个囊袋，通过囊袋上的注浆管注入封孔材料，待囊袋上的另1 个胶管出现返浆后，将返浆管扎牢，继续注浆直至达到压力1.5～2.0 MPa。两堵一注封孔示意图，如图2。封孔要求：封孔胶囊须固定在直径1 寸钢管上，注浆钢管长度比封孔长度长2～5 m，且封孔长度不低于15 m。深部注浆孔开孔附近，辅以浅孔帷幕低压注浆（终压4 MPa），保障封孔质量。

图2 两堵一注封孔示意图

③ 洗孔。待封孔合格后，采用电动注浆机注清水洗孔，检验注浆机状态、连接部件密封情况，以及冲开围岩裂隙，为下一步注浆做好准备。

④ 注浆。洗孔后进行高压连续注水泥浆液，终压不低于15 MPa，待浆液凝固，施工剩余治理钻孔。因第一组治理钻孔注浆结束，对附近围岩充填加固后，可提高钻孔成孔率，实现全孔深下套管。为防止注浆间断、浆液凝固堵塞管路及裂隙，执行单孔连续注浆、全过程跟班制度，落实专人现场跟班监管，每孔注浆达到终压且稳压5 min 后，停止注浆，采用清水洗孔。待距离工作面50～150 m 范围，过超前动压影响后，对治理钻孔进行二次复注浆。结合现场实际，现场进一步提高注浆效果。

2）工作面内动态治理

待工作面回采至距断层破碎段50 m 以内时，根据现场实际状况，利用检修班时间，在面内交替布置压茬浅孔，开孔位置距离底板1 m，压茬不小于2 m，同一茬相邻孔间距3～5 m，孔深满足圆班工作面推进度需要，一般情况下6～10 m，水平方向垂直煤壁，竖直方向大于煤层倾角斜向上施工，终孔位于煤层顶板约2 m 处。钻孔采用气动手持式风钻及其配套钻具施工，全孔深安装Φ4 分（或Φ6 分）钢管，专业封孔器进行封孔，封孔位置距孔口1 m，配合气动注浆泵注浆，注浆压力0～4 MPa。巷道内钻孔布置间距3～5 m，孔深6～10 m，采用气动手持式风钻、气动锚杆钻机及其配套钻具施工，全程安装Φ4 分（或Φ6 分）钢管，封孔位置距孔口2～2.5 m，配合气动注浆泵注浆，注浆压力0～4 MPa。用于深孔注浆补充，固化断层影响区域煤壁及直接顶附近松软围岩，降低煤壁片帮漏顶几率。

2.3.4 细化效果验证

注浆钻孔逐个进行全程测斜，确保钻孔施工到位、可靠有效；对比过断层前、后片帮漏顶情况，较以往回采推进度情况；其他有效验证手段。对比同一煤层（13-1 煤）、同一施工队伍、条件相似断层（H=13 m），面内全岩范围影响均为40～90 m，经断层超前治理工作面，顶板超前片漏影响大大减少。经统计，月推进度达110 m，较未治理工作面推进度提高30 m，效果显著。

2.3.5 深入效果评价

断层治理结束后，注浆单位负责各钻孔注浆后挂牌管理和建立台账，并对治理全过程进行系统地分析评价。采掘工作面过断层后，及时做好断层超前治理效果分析总结，为后期断层超前治理优化提供依据。

3 断层治理实例分析

3.1 工作面概况

131306 工作面为1313 采区第3 个工作面，为走向长壁开采，轨道顺槽可采走向长1 132.9 m（平距），开采标高为-637.7～ -662.9 m；胶带顺槽可采走向长1 132.9 m（平距），开采标高约为-719.8～-747.6 m；设计工作面切眼长295.6 m（平距）；煤层倾角14°～20°平均16.5°，煤厚4.0～4.7 m。基本顶：泥岩，灰色，致密，性脆，具参差状断口，上部含植物根部化石碎片；直接顶：泥岩，灰色，致密，性脆，断面平坦，含较多的植化碎片；直接底：泥岩，灰色-深灰色，致密，性脆，含植物化石，裂隙发育；基本底：粉砂岩，灰色-浅灰色，致密，性脆，含植物化石，具脉状层理，底为菱铁砂岩。

工作面F39-1 断层（SW ∠50°～80°H=1.9～13 m）可靠。该断层在131306 胶带顺槽实测落差13 m、轨道顺槽实测落差1.9 m，贯穿整个工作面。沿回采方向，该断层为下降断层，距切眼910 m 处由胶带顺槽首先揭露，与工作面夹角约为53°，沿工作面回采方向共影响183 m，工作面内平均影响93 m。

3.2 过断层方案

超前治理断层，提高回采期间工作面顶板完好程度；合理控制工作面回采层位及坡度，工作面整体趋势为西倾、煤层下降，距断层面约15 m前俯采追煤，预计过断层期间工作面回采俯角为2°～4°，根据断层移动情况及时调整工作面回采角度，工作面内坡度保持19°以下，走向俯采坡度不得超过15°，保持底板平顺，避免出现较大起伏，保障设备正常运转条件；采取斜交通过断层，胶带顺槽超前轨道顺槽15～30 m，减少工作面内影响范围；根据面内断层变化情况，采用动态注浆进一步加固破碎围岩；灵活调整采煤机进刀方式，减少大块矸石对设备的影响；随着工作面全岩段范围增加，大块矸石易堵塞采煤机出料口，及时将双刀割煤方式改成单刀割煤；严格控制推溜方式，确保及时拉移支架，减少空顶时间，合理调整推溜顺序控制运输机下窜。

3.3 注浆实施方案

为确保断层治理效果，分别从两顺槽施工断层治理钻孔进行注浆加固。浅孔帷幕与深孔高压治理相结合，其中帷幕钻孔共计设计8 个，两巷各4 个，沿煤施工，五花布置；4 个探查钻孔用于探查煤层实际赋存状况，两巷各2 个。14 个断层治理钻孔用于注浆加固，其中胶带顺槽8 个、轨道顺槽6 个，2 个验证钻孔（兼做注浆钻孔使用）。

首先施工帷幕注浆钻孔，进行注浆加固封闭浅层围岩；其次施工J14、J16、G27、G29 探查钻孔，收集钻孔资料，分析论证，修正断层资料，进而完善断层治理设计，并对验证钻孔进行封孔注浆加固；然后根据完善后的钻孔设计，开始间隔施工断层治理钻孔，胶带顺槽分别为J7、J9、J11、J13，轨道顺槽分别为G22、G24、G26；然后集中进行高压注浆加固，连续作业，待2 个圆班，水泥初凝形成一定强度后，开始施工胶带顺槽J8、J10、J12、J15 钻孔，轨道顺槽G23、G25、G28 钻孔，其中J15、G28 钻孔兼做验证钻孔使用，因前期探查钻孔及中间钻孔已采取超前注浆加固，第二轮钻孔施工期间有效降低钻孔跨孔率，提高注浆通道完好程度，而后进行高压注浆加固。钻孔设计如图3，钻孔参数及注浆情况见表1。

表1 F39-1 断层注浆孔参数表

图3 131306 工作面断层治理钻孔设计图（m）

3.4 超前治理评估

1）断层治理孔于4 月7 日完成注浆及复注治理。该断层两顺槽前期已揭露，结合顺层钻孔、钻探、物探等资料，预计断层参数与实际较接近，治理钻孔施工层位较合理。通过隔孔注浆的方式，有效提高第二轮注浆成孔率，保障注浆效果。

2）断层治理复注浆期间，各孔试压均合格，高压注浆压力16 MPa，注浆期间无其他异常情况。工作面受断层影响范围，结合面内动态注浆加固方式，过断层期间顶板稳定，回采过程中未发生超前片漏（冒）现象，治理明显，避免了重新掘进开切眼采用跳采方式避开该断层。超前治理断层后，工作面通过该断层用时仅45 d，平均日进尺3.7 m，经济和社会效益显著。该断层已初步治理完毕，工作面具备过断层条件，待断层揭露后，再根据实际揭露情况在面内施工钻孔二次注浆加固顶、帮。

4 实施效果

1）131306 工作面过F39-1 断层（H=0～13 m）期间，工作面推进方向影响230 m，工作面方向影响100 m，局部爆破辅助回采，工作面月推进度110 m，未出现顶板片漏、瓦斯、有害气体监测异常等情况，结合周边矿井实践，均取得良好的效果。

2）通过采取断层静态超前治理、动态面内加固措施，变过断层为治断层，提高断层面附近围岩完整程度，降低工作面推进期间断层影响区域片漏风险，提高安全、经济效益。

5 结语

1）采取“两堵一注”封孔工艺，辅以帷幕注浆，可有效减少漏浆，提高了注浆压力，使断层破碎带注浆终压达到15 MPa 以上，确保了注浆效果。

2）注浆钢管+PVC 实管+PVC 筛管相结合下管工艺、间隔注浆相结合措施，可有效提高下管深度、浆液扩散范围，保障注浆效果。

3）回采工作面过断层期间，通过采取“两巷静态治理先行、面内动态治理配合”超前治理措施，可有效控制顶板稳定，解决顶板超前片漏、支架倒架、咬架、推进度缓慢等问题，促进工作面快速通过断层。