薄基岩工作面断层预注浆加固技术研究.pdf

312020 年第 8 期 薄基岩工作面断层预注浆加固技术研究 马海涛 1 曹思文1 钱自卫2 （1. 兖州煤业股份有限公司杨村煤矿，山东 济宁 272118； 2. 中国矿业大学，江苏 徐州 221116） 摘 要 杨村煤矿 330 工作面属于厚松散层薄基岩工作面，桲椤树二号正断层贯穿整个工作面，断层附近突水溃砂风险 较大。通过对断层超前预注浆加固，提高断层破碎带的整体性和稳定性，减小因断层影响的冒裂带发育高度，从而实现工 作面安全开采。 关键词 薄基岩 断层 注浆 加固 中图分类号 TD355 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.08.011 Study on the Technology of Pre-grouting Reinforcement for Fault in Thin Base Rock Working Face Ma Hai-tao1 Cao Si-wen1 Qian Zi-wei2 1.Yanzhou Coal Industry Co., Ltd., Yangcun Coal Mine, Shandong Jining 272118; 2.China Mining University, Jiangsu Xuzhou 221116 Abstract The 330 working face of Yangcun Coal Mine belongs to the working face with thick loose layer and thin bedrock. The No.2 normal fault of Poluoshu runs through the whole working face, and the risk of water and sand burst near the fault is high. Through the pre grouting reinforcement of the fault, the integrity and stability of the fault fracture zone are improved, and the development height of the fracture zone affected by the fault is reduced, so as to realize the safe mining of the working face. Key words thin base rock fault grouting reinforcement 收稿日期 2020-04-30 作者简介 马海涛（1985-），男，2008 年毕业于山东科技大学 测绘工程专业，本科，工程师，现从事煤矿地测防治水工作。 杨村煤矿 330 工作面属于厚松散层薄基岩工作 面，其中桲椤树二号正断层贯穿整个工作面，断层 落差大，易成为第四系底部含水层水、砂的导水通 道。工作面尤其断层附近突水溃砂风险较大，超前 对该断层进行预注浆加固对实现工作面安全开采具 有重要意义。 1 概况 330 工作面 3 煤覆岩厚度从东到西呈逐级变薄 的特点，3 煤层顶部煤岩柱厚度约在 22.9446.0m 之间，属于厚松散层薄基岩工作面。其中桲椤树二 号正断层（257260∠ 5060 H ＝ 8.0m）贯穿 整个工作面，延展长度 207m，运输顺槽由于基岩 厚度较薄，对安全开采影响较大。 2 断层注浆治理思路 2.1 注浆治理段长跨度 设计初步选择 31.6m 作为治理段划分的界限， 在 330 工作面内断层位置基岩厚度小于 31.6m 段 作为治理段。另外考虑到 330 工作面初期开采顶板 的冒落形态，桲椤树二号断层加固的东北界限选择 在工作面运输顺槽揭露断层位置沿断层面垂向上位 置，跨度共计 105m。如图 1 所示。 2.2 注浆加固位置 根据杨村煤矿 330 工作面提高开采上限方案 设计，330 工作面 3 煤层设计开采厚度 3m，预计 底分层开采条件下最大垮落带高度约 16.7m。本次 治理的主要目的是加固断层面，延缓断层附近顶板 冒落时间，减小因断层影响的冒裂带发育高度。 注浆孔终孔设计于第四系底界下 8m 位置的断 层面位置，浆液在断层带劈裂扩散以挤密、加固断 层破碎带，部分浆液向上继续扩散，进入底含水层， 322020 年第 8 期 加固底部砂层。如图 2 所示。 图 1 断层在基岩界面的断层线位置图 图 2 断层注浆加固位置示意图 2.3 注浆加固机理 针对断层破碎带及砂层，常规的水泥基浆液注 浆主要为劈裂扩散机理（如图 3 所示），最终起到 挤密、加固的效果。浆液在断层带及砂层中劈裂后 形成脉状扩散效果，凝固的水泥浆液在断层破碎带 及土层起到加筋的作用，可显著增加被注破碎带、 砂层的整体性及稳定性。 图 3 劈裂注浆机理 3 注浆方案及施工 3.1 注浆钻孔设计 采用后孔验证前孔的方式，注浆前后断层带取 芯检验注浆效果，动态调整注浆设计参数（孔位及 注浆材料）。 初步预设注浆钻孔 11 个，在平面上，在断层 带注浆加固段钻孔间距 10m；在剖面上，钻孔终孔 设计于第四系底界下 8m 位置的断层面位置。注浆 孔设计如图 4 所示。 图 4 330 工作面桲椤树二号断层注浆加固钻孔布置图 3.2 注浆方式 原则上各注浆孔设计单次注浆，直接钻进至设 计孔深进行注浆即可。如钻进过程中遇到塌孔、卡 钻等钻孔现象，则提钻注浆加固后，再套孔延伸至 设计深度注浆即可。 （1）注浆液选用纯水泥浆为主、双液浆为辅。 水泥选用标号 42.5 的水泥，水玻璃浓度不低于 36 波美度。水泥基浆液采用普通水泥与水按一定比例 混合而成，水泥浆属于颗粒悬浮液，主要适用于宽 大裂隙、空洞的充填，对于孔隙及微细裂隙不适用。 （2）工艺流程确定注浆压力和浆液配比（水 灰比 1.5 ∶ 1）→注浆，待压力升高后停注→封孔。 每个钻孔注浆时，初注用浓浆，注浆时逐渐降 低浆液浓度。当浆液在裂隙中沉析、充填阶段，若 压力不升且进浆量也不减时， 应逐渐加大浆液浓度； 反之，若压力上升快且进浆量减量也快，应依次降 低浆液浓度。 （下转第 35 页） 352020 年第 8 期 板下好地垫。为防止工作面的单体液压支柱失效倒 柱伤人，要求单体液压支柱初撑力必须达到 90kN 以上，每班进行二次注液。每支一根支柱，即用特 制的小钢丝绳连锁一根。作业中，要加强对工作面 内支柱的检查，严禁存在有支柱倒地或支柱不连锁 的现象。 3.7 防止老塘串矸措施 为防止老塘串矸，切顶线采用密柱支护形式， 柱距不大于 300mm，一般每空支 2 根密柱，同时还 要沿切顶线挂好挡矸帘或塑料网挡矸。 3.8 防煤矸滚落伤人措施 为防煤矸滚落伤人，工作面每隔 510m 必须设 置一道挡矸档，挡矸档高度不小于 0.6m。 3.9 放炮与攉煤措施 放炮作业只能由下向上进行，每次放炮长度 510m。当顶板破碎或有裂隙及地质变化带时，每 次只能放 12 个炮眼。每次放炮后，应安排专人（1 个组）对煤帮、顶板及支护进行全面检查，按由上 往下的顺序依次进行，挖掉松动的伞檐煤矸，攉煤 严禁平行作业。 3.10 工作面回柱放顶措施 放顶最多只能分 2 个作业组，上下作业组交口 处必须沿走向打 1 排密集支柱作为挡矸档。密柱沿 走向方向长度为 3.5m，支柱必须打成对山并迎山 有力，密柱上方用长木板背好，长木板规格长 宽 厚2000mm200mm30mm，挡矸档高度 为煤层采高。 4 结论 宝源矿业公司北平硐煤矿急倾斜煤层正倾斜走 向长壁后退式采煤法在急倾斜薄中厚煤层开采中的 成功应用，是当前急倾斜煤层采煤方法的一种新的 突破，为同类赋存复杂条件的急倾斜煤层的开采提 供了新的经验。 【参考文献】 ［1］ 王家廉，吴绍倩 . 煤矿地下开采方法 [M]. 北京 煤炭工业出版社，1985. ［2］ 史虎伟 . 急倾斜煤层采煤方法探析 [J]. 石化技术， 2019，26（12）111127. ［3］ 何开余 . 急倾斜煤层开采方法研究进展 [J]. 能源 技术与管理，2018，43（03）75-77. ［4］ 朱汉林 . 急倾斜煤层采煤方法浅析 [J]. 内蒙古煤 炭经济，2015（04）81. （上接第 32 页） （3）注浆压力。根据有关规范，注浆终压一 般选择为静水压力的 23 倍或垂直地应力的 11.5 倍，本次桲椤树二号断层注浆加固区域埋深 190m 左右，则注浆孔口终压设计为 4.0MPa。 （4）注浆结束标准。注浆结束标准有两点， 分别以注浆压力及注浆量来控制。注浆孔的孔口 注浆压力达到设计终压值 4.0MPa，注入量小于 30L/min，稳定 20min 以上；单孔累计注浆量达到 38m3，则及时调整浆液配比，增加水玻璃加量，带 压封孔。 3.3 实际施工情况 共施工注浆加固孔 11 个、检查孔 2 个，单孔 实际孔深 6895m，总钻岩进尺 1005m，扫孔进尺 120m。所有 13 个钻孔，仅 4孔在 56m 以深段出水 0.1m3/h，7孔在 57m 以深段出水 2.0m3/h，其他钻 孔均无任何出水现象。 注浆加固共注入水泥 41.7t，固管消耗水泥 3.8t， 合计消耗水泥 45.5t，单孔注浆量 2.56.0t 不等，检 查孔注浆量 0.7t、0.8t。 4 断层加固效果 （1）注浆结束后，在注浆量最少的 1、2孔 之间及注浆量最大的 6、7孔之间施工 12、13检 查孔， 两孔均无出水及卡钻现象， 两孔注浆量为0.8t、 0.7t，较注浆孔单孔注浆量明显偏小，说明注浆质 量整体较好。 （2）利用两检查孔开展钻孔窥视，12、13检 查孔窥视深度分别为 86m、70m，两孔孔壁结构整 体较稳定，12、13检查孔孔深 71m、50m 以深段 岩层有明显风化裂隙发育，窥视段均无明显的断层 破碎带发育。根据岩层对比分析 12、13检查孔的 断层所处深度预计为 85.6m 及 61.5m 位置，与原预 计位置较为吻合。通过窥视成果分析，330 工作面 桲椤树二号断层带发育不明显，厚度较小，断层带 充填较为密实，无明显出水现象。 【参考书目】 ［1］ 佚名.断裂带突水灾害[J].能源与节能， 2015 （03） 141. ［2］ 黄德发，王宗敏，杨彬 . 地层注浆堵水与加固施 工技术 [M]. 中国矿业大学出版社，2003.