马兰矿18506工作面过断层注浆加固技术实践_牛健健.pdf

煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 1工程概况 马兰矿的 18506 综采工作面开采的煤层为石炭 系太原组 8 号煤层， 属于稳定可采厚煤层， 结构复杂， 中部和中下部均有加矸， 煤层厚度 3.80～4.80m， 平均 为 4.3m。根据工程资料及在开拓掘进中揭露的， 工作 面共有 31 条发育的断层， 落差为 0.2～3.6m。自该工 作面建成投产以来， 由于褶曲、 断层等构造的发育， 使 很难较好的布置工作面， 降低了煤炭回采率， 提高了 吨煤成本， 且经常发生冒顶事故， 且每次冒落的高度、 面积均有较大差异，严重影响到矿井安全和正常生 产。 因此， 针对于 18506 工作面断层的构造特征， 来选 去合理的过断层的工艺和方法， 使工作面内的采掘设 备能正常运转， 保证工作面的正常生产。 2回采工作面过断层顶板稳定机理探究 2.1顶板围岩理论模型 进行采煤作业时， 有效的管理回采工作面的顶底 板， 为人员设备提供安全充足的空间， 是工作面正常 生产的重要条件[1]。 煤炭的开采， 破坏了原本支承着上 覆岩层的煤层， 导致原有的稳定结构被破坏， 液压支 架来承受上方岩层的压力， 使应力重新分布， 结构重 新稳定。对于顶板的稳定和变形， 国内外都有着很多 的理论， 我过普遍认可且较为成熟的有＂砌体梁＂理 论和 “传递岩梁” 理论， 不仅解答了工作面上方围岩的 形态结构和运动规律， 而且为矿压控制理论奠定了参 数基础[2.3]。 2.2工作面遇断层时顶板受力状态分析 图 1断层一 图 2断层二 采煤工作面顶板的稳定， 很大程度上取决于老顶 的状态， 如果老顶能够自稳， 老顶破断形成的岩块间 相互挤压， 形成类似拱的一种平衡结构， 即形成 “砌体 梁” 。但是， 由于断层的发育影响了老顶的连续性， 当 工作面推进至断层附近时，有下面两种结构模型， 一 组是工作面的推进方向与断层倾向相反， 工作面由断 层的下盘向上盘推进如图 1。 另一组工作面推进方向 马兰矿 18506 工作面过断层注浆加固技术实践 牛 健 健 （西山煤电马兰矿 ， 山西 古交 030200 ） 摘要 马兰矿的 18506 工作面范围内就存在着多个断层， 由于其构造的结构复杂， 导致开采时煤层 顶板破碎， 支护起来困难， 致使采煤工作面推进至断层附近时常发生冒顶， 液压支架压架等事故， 故现 结合着该矿的地质结构， 进行煤层顶板失稳机理分析， 选择合理的加固方案。方案实施后使工作面安 全的通过各个断层。 关键词 断层 ； 注浆加固 ； 马丽散 中图分类号 TD355文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0010- 03 Design and study of the reinforcement scheme of the working face through fault NIU Jianjian （Xishan Coal and ElectricityMalan Mine ，Shanxi Gujiao 030200 ） Abstract the 18506 working face of Malan mine are within the scope of more than a fault, because of its complex structure, leads to mining coal seamroofand broken, difficult tosupport, the nearby frequent roofcaving mining working face advancing to fault, such as hydraulic sup- port crushingaccident, soit is combined with the mine geological structure, toanalyze the instabilitymechanismofroof, choose reasonable re- inforcement scheme.After the implementation ofthe scheme, the workingface can pass through various faults safely. Keywords fault;Groutingreinforcement;marithan 10 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 与断层倾向相同， 工作面由断层上盘方向向下盘推进 如图 2。 在断层一结构模型中， 断层面所受正应力 NTcosθ- Rsinθ 断层面的剪应力 FRcosθTsinθ 平衡条件为 （Tcosθ- Rsinθ ） tanφ≥RcosθTsinθ Tsinφ- θ≥Rcosφ- θ R T ≤tanφ- θ 在断层二结构模型中， 断层面所受正应力 NTcosθRsinθ 断层面的剪应力 FRcosθ- Tsinθ 平衡条件为 R T ≤tanφθ 式中 T 为水平方向推力； R 为剪切力； φ 为岩块 间的摩擦角； θ 为断裂角。 无论哪种结构的断层，在采煤工作面通过它时， 总是要破坏其原有的平衡状态，在第一种情况下， 顶 板岩层会随着工作面的推进不断的向工作面后方翻 转、 下沉， 断层下盘下煤柱越来越窄， 导致煤体对于岩 层的支护能力下降， 岩块 B 的剪切力越来越大， 工作 面上方的岩块很难取得平衡，很容易发生冒顶等事 故。 而在第二组情况下， 随着工作面推进， 断层面的正 应力增大， 工作面后方老顶悬空的长度增加， 液压支 架上形成应力集中， 很可能发生压架事故。 总之， 必须 采取有效的方式解决采煤工作面过断层的问题。 3过断层技术方案的选择 3.1方法讨论 在选择采煤工作面过断层时， 主要考虑两个方面 的因素[4]， 一是在断层处煤层的厚度， 它对过断层的难 易程度具有很大影响， 当煤层越厚， 也就越容易。 二是 工作面采运设备最小采煤厚度， 允许的煤层越薄就越 容易通过断层。工作面过断层的主要方法有以下几 种 1 ） 调整采高法，在工作面距断层还有一定距离 时，提前通过留底煤或者留顶煤的方法降低采高， 每 刀留煤 100～150mm， 通过断层后重新恢复正常采高。 该方法的前提是上下盘之间的煤层高度大于设备允 许的最小煤层厚度。 2 ）留顶卧底法或挑顶起底法，当围岩不是很坚 硬时， 用采煤机切割围岩通过， 当煤层顶底板较为坚 硬时， 采用方震动炮进行岩层破碎， 再用采煤机切割。 前提是断层上下盘顶底板之间的煤层高度小于设备 允许最小煤层厚度时。 上述两种方法均需要煤层顶底 板能够在工作面过断层中， 没有冒顶、 压架等事故的 危险， 18506 工作面共有 31 一个已知的断层，其结 构、 大小、 赋存特征存在很大差异， 因此必须进行断层 加固， 才能保证工作面安全顺利的通过。 3.2围岩注浆的理论基础 通过对断层进行注浆， 可以增大断层上下盘的连 续性， 使断层更接近于正常的岩层。注浆加固主要有 以下效果 1 ）高压浆液进行断层充填，煤体在矿压的作用 下产生大量的裂隙由浆液填充， 浆液在煤岩体中纵横 交错的裂隙中固结， 形成具有较强初性及粘结性的联 合体， 裂隙之间贯穿形成一个网络骨架， 增加岩体的 韧性， 使碎裂岩块的强度大幅度增加， 岩体的变形就 会相应的减小。 2 ）注浆时， 较大的裂缝被浆液填充， 有些封闭的 或较小的裂隙虽然无法被填充， 但是会被高压浆液挤 压缩小甚至闭合， 提高了围岩和煤体的强度和弹性模 量， 并使得碎裂后的煤岩体内摩擦角增大。 。 断层凝固 的浆液， 把断层面胶结为一个整体， 这样减轻了工作 面过断层时液压支架上的应力集中。 3 ）填充到破碎煤体内的注浆材料，固结后增加 了煤体的整体性， 大幅度增加了煤的承载能力， 减小 了煤的可压缩量，从而降低了顶板对液压支架的压 力， 减少了冒顶、 片帮等事故， 使工作面更安全可靠。 4技术方案 4.1材料的选择 马丽散是一种由树脂加入催化剂混合而成的注 浆加固材料， 由于该混合材料具有较低的粘度， 使其 在注入岩体内能迅速的扩散到一定的范围，然后固 结， 使煤体和岩体胶结， 在短时间内加固断层。 马丽散 同时还具备较好的渗透性， 并且有非常好的机械性和 胶结力， 以及抗冲击、 抗老化、 耐磨等特性。传统的注 浆材料通常依靠泵的压力将浆液挤压到裂隙和断层 内，而马丽散进入裂隙后，体积大约可膨胀 1.5 到 2 倍， 从而使其能够节约成本， 提高工作的效率。 马丽散 无论是干燥还是潮湿的地方均可使用， 因此选用其作 11 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 为本工作面过断层时注浆加固的材料。 4.2方案设计 为了达到更好的注浆加固效果， 设计将注浆过程 分为两个部分， 首先是通过在工作面两侧的巷道内侧 向断层面注浆， 二是当采煤工作面推进至距断层二十 米左右时， 对工作面前方的煤体进行注浆加固[5]。 4.2.1巷道内侧钻孔布置及相关参数 断层的存在破坏了岩层和煤体的连续性， 工作面 推进至断层附近时，液压支架可能会产生应力集中， 因此为了使工作面安全的通过断层， 当工作面距断层 较远时， 从巷道内侧钻孔对断层构造面的进行注浆加 固。 需要在断层左右两侧分别布置五个钻孔， 如图 3。 图 3注浆钻孔布置图 注浆孔布置方式 1 ） 注浆孔位置。 根据马兰矿 18506 工作面巷道断 面的大小， 在距顶板 800mm处布置一排钻孔， 另一排 布置在距地板 1500mm 处， 空间距为 2.5m， 钻孔方向 倾斜向上， 采用三花眼的布置方式。 2 ） 注浆孔参数。注浆孔的倾角如图 5， 孔深 8m， 孔径为 42mm。 3 ） 打孔。打孔时要严格控制钻孔的质量， 确保注 浆空的角度和深度。 4 ） 当浆液距孔口 1.5m左右时进行封孔。 4.2.2工作面钻孔布置及相应参数 由工作面向断层内注浆时， 布置方式如图 4。 1 ）注浆孔位置。 根据该矿的工作面布置情况， 综合考虑后决定在工作面机头方向距断层 20m 处煤 壁上布置注浆孔。 在距顶板 800mm处布置一排钻孔， 另一排布置在距地板 1500mm 处， 空间距为 2.5m， 钻 孔方向倾斜向上， 采用三花眼的布置方式。 2 ）注浆孔参数。注浆孔的倾角如图 6， 孔深 8m， 孔径为 42mm。 3 ）打孔。 打孔时要严格控制钻孔的质量， 确保注 浆空的角度和深度。 4 ） 当浆液距孔口 1.5m左右时进行封孔。  图 4工作面注浆孔布置 5结论 1 ） 马兰矿的 18506 采煤工作面区域内发育的断 层具有特殊的地质条件， 不仅顶板破碎、 落差大， 而且 影响范围也较大。 通过设计采用马丽散注浆材料加固 断层， 很好的控制了工作面顶板， 减少了冒顶、 液压支 架压架等事故的发生， 保证了采煤工作面安全正常的 生产， 减少了煤炭资源的损失， 提高了煤炭的采出率。 2 ） 从断层结构稳定的角度出发，论证了采煤工 作面过断层时， 上覆岩层失稳的机理， 为工作面过断 层加固方案的设计提供了理论支持。 贴合着该工作面 通过断层时的具体特征， 进行设计实施了具体的注浆 加固方案， 为类似的工程实例的研究提供了参考。 参考文献 [1] 何满潮.深部的概念体系及工程评价指标.岩石力学与工 程学报， 2005,24 （16） 28542858. [2] 徐曾和， 徐小荷， 唐春安.坚硬顶板下煤柱岩爆的尖点突 变理论分析.煤炭学报， 1995,20 （5） 485491. [3] 钱鸣高， 刘听庶矿山压力及其控制[M].北京 煤炭工业出 版社， 1984. [4] 张效春.综采工作面过断层、 过冲刷技术及有关参数的确 定[J] .山西煤炭, 2005 （4） . [5] 孙健. 断层附近工作面顶板围岩运动规律及其稳定性控 制研究[D].太原理工大学,2015. 作者简介 牛健健 （1991-） ， 男， 山西古交人， 2014 年 6 月毕业于阳 泉职业技术学院煤矿开采技术， 现从事煤炭生产技术工作。 （收稿日期 2018- 9- 13） 12 ChaoXing