大采高工作面穿越断层破碎区预注浆耦合加固实践*

吕兆海，来兴平，来红祥，丁自伟，刘 彪

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安710054;2.神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏 银川750004;3.教育部西部矿井开采与灾害防治重点实验室，陕西 西安710054)

0 引 言

复杂特厚煤层大采高条件下开采扰动区(Mining Disturbanced Zone，MDZ)岩移规律复杂，是工作面穿越断层破碎带期间(Fault Cracked Zone，FCZ)的动力学失稳与灾害控制是个难题［1-3］。杨忠民等采用综合方法，揭示了特厚煤层大采高开采工作面覆岩载荷局部化非对称扩展演化机制［4］。刘泉声等通过对穿越FCZ 监控量测，掌握围岩变形与支护结构受力信息，验证施工方案合理性［5］。魏世义等采用数值计算和模拟实验分析了高承压水作用下巷道穿越断层的变形破坏特征［6］。杜志龙等成功运用化学注浆加固巷道断层破碎带［7］。韩继欢等［8］针对宝龙山金田煤矿地质复杂、裂隙较大、巷道围岩软弱、涌水量大且涌水点不明确等特点，提出了采用双液水泥-水玻璃浆液对涌水区域进行工作面预注浆。秦续峰等［9］针对新河矿业公司下山巷道掘进遇到含水断层破碎带的情况，选用高效改性聚亚胺树脂注浆材料波雷音对该含水断层破碎带进行注浆加固，安全成功的掘进通过该含水断层破碎带，为类似条件矿井提供借鉴。袁辉等［10］为提高深井巷道围岩的稳定性和支护体系的安全性，提出采用定向钻进L 型钻孔地面预注浆加固技术，应用此技术对信湖煤矿井底车场的中央泵房、变电所进行了注浆加固，大幅提高单孔注浆范围和注浆效果，单孔造斜段注浆量可达145 m3，水平加固段注浆量可达955.5 m3，确保了深井巷道围岩的稳定性。韩玉明等［11］为解决综采工作面终采线附近回风巷围岩受强采动影响难以控制的难题采用，超前工作面巷道预注浆加固技术，进一步提高锚杆(索)预紧力的扩散效果，显著减小破碎围岩的变形移动。蒋康等［12］前在总结刘庄煤矿穿断层破碎带软岩巷道围岩破坏特征的基础上，提出了巷道围岩分步耦合支护技术方案，有效解决了刘庄煤矿深井软岩巷道穿断层破碎带施工围岩稳定控制难题。徐升等针对淮南顾桥煤矿南翼胶带输送机大巷(二)穿过断层地质异常区的问题，通过超前注浆加固、壁后注浆和底板注浆等措施，提高围岩承载能力，有效地控制了围岩变形，保证了巷道施工安全。

通过对上述文献的分析可见，目前煤矿中加固顶板一般采用架棚挑棚、打树脂锚杆和注水泥浆等;控制冒顶措施包括提高支柱初撑力、缩小梁端距、减少空顶面积和及时支护等。宁夏宁东鸳鸯湖矿区清水营煤矿110203 大采高(4.2 m)综采工作面主采2#煤层，顶底板岩性和厚度变化大，煤岩松散破碎，稳定性差，大采高工作面在穿越断层过程中多次出现大面积漏矸漏砂和冒顶片帮现象，严重制约安全高效开采。针对清水营煤矿大采高工作面安全穿越断层破碎带难题，采用工程调查、理论分析和现场实践等，提出了预注浆耦合加固(Pre-Grouting Coupling Reinforcement，PCCR)方法。现场实践表明，采用预注浆耦合加固方法，有效控制了工作面顶板和上下超前巷道稳定，保证了安全开采。

1 注浆耦合加固破碎煤岩体机理分析

注浆耦合加固方法具有快速充填围岩裂隙、固结松散体和提高了围岩整体承载能力等综合效应。断层和顶板破碎区煤岩体虽具一定强度，但抵御工作面围岩深层变形能力显著降低。通过注浆耦合加固，对于破碎煤岩体可实现结构性能改变，更重要的是力学性能的提升，即提高裂隙的粘结力和内摩擦角，增大煤岩体内部块间相对位移与阻力，提高围岩整体承载力。

1.1 充填密实与骨架重构

破碎煤岩体内部预存大量裂隙是应力与变形难以控制的禀赋性特征，注浆不但可以将相互连通的岩体裂隙充满，还可将充填不到的封闭裂隙和孔隙压缩，提高了围岩弹性模量和剪切模量，进而提高围岩力学强度。同时，破碎煤岩体内部裂隙相互贯通，加压浆液渗透到破碎煤岩体内部，耦合快速凝固之后形成“骨架”结构，支撑能力显著提高。

1.2 耦合粘结补强

耦合粘结补强是注浆之后对破碎煤岩最重要的加固作用。从力学角度出发，注浆改变了破碎煤岩的基本力学性质，提高了岩体强度。注浆加固补强作用可采用莫尔强度理论(式(1))进行分析。

式中 τ 为抗剪强度;σ 为内部正应力;C 为内聚力;φ 为内摩擦角。

从式(1)可看出，在应力状态一定情况下，岩体强度是由C，φ 决定。当集中切向应力超过岩体的强度极限时，工作面浅层围岩首先破坏并产生裂隙，应力与内摩擦角降低，围岩在一定范围内形成具有残余强度的破碎带，但其抵抗深层变形能力显著降低，通过注浆可提高裂隙的粘结力和内摩擦角，增大岩体内部块间相对位移的阻力，改善岩体弱面力学性能，提高围岩整体稳定性。另外，岩体c，φ 值增值大小与注浆材料性能与工艺密切关联，一般来讲，注浆材料本身固结强度高、稳定性好，注浆工艺合理，能保证岩体裂隙充填密实，浆液与裂隙面粘结牢靠，其c，φ 值的增值较大。

1.3 转变破坏演化行为

通过注浆施工能够改变破碎岩体破坏演化路径，从损伤及断裂力学角度，岩体的破坏是由于内部裂纹在外力的作用下，其裂纹尖端发生应力集中，而形成的有效扩展进而贯穿造成的。注浆后岩石内部的裂纹大量的减少。通过胶结作用，裂纹与岩体形成了有效整体，应力集中显著削弱，最终改变了其破坏方式。未注浆岩体中裂隙处的结构单元处于二向应力状态，注浆后应力状态恢复为三向。在三向应力状态下岩体演化形成新的平衡状态，岩体塑性增强，提高了围岩体的强度。

2 工程调查与动力学失稳现象描述

宁东鸳鸯湖矿区清水营煤矿110203 综采工作面主采2#煤层，倾斜长190 m，煤层倾角25° ～30°，均厚5.74 m，采高4.2 m.顶底板岩性和厚度变化较大，顶底板岩性以砂岩及粉砂岩为主，岩石较松散，强度低、坚固性差、易风化［14-15］。如图1 所示断层影响区域上口影响长度51.0 m，下口影响长度18.0 m，揭露断层落差为4.90 m，风机两巷掘进时由断层下盘2#煤底板穿过断层面后进入上盘2#煤中;两巷巷道围岩松散，顶板破碎与下沉变形严重。

图1 断层结构与分布情况Fig.1 Structure and distribution of fault

2012 年2 月12 日，上口推进至82.0 m，下口推进至77.5 m，上口开始揭露F18断层，工作面推进中多次出现大面积漏矸漏砂和冒顶片帮现象(图2)。

图2 现场大尺度冒落失稳现象Fig.2 Large-scale caving instability phenomenon(a)25 ×3.6 ×3.0 冒顶区 (b)顶梁前段漏顶

3 工作面穿越断层注浆工艺方法

常规处理冒顶的方式为架棚、穿梁、打木垛法和锚杆、锚索支护法，这些方法工作量大、施工环境差。针对过断层期间工作面大尺度空间连续性冒落灾害，采取了罗克休泡沫对冒顶区进行充填，马丽散、博特威加固破碎煤岩体的维护方案。化学浆液反应迅速、硬化时间短，能及时充填和加固冒落区，胶结破碎顶板，提高冒落区围岩稳定性。

3.1 注浆工艺与系统布置

注浆工艺包括钻孔、封孔、注浆3 个部分。采用锚杆机、煤电钻进行钻孔施工，钻孔形成后，采用风压提供动力，通过高压管路供风，进风管路连接至注浆加固地点，由注浆泵对钻孔进行注浆，注浆完成后进行封孔。注浆系统工艺布置如图3 所示。

图3 注浆系统设备布局Fig.3 Grouting system equipment layout

3.2 施工方案

3.2.1 两巷超前加固防破坏

风机两巷超前20.0 m 范围内，每隔2.0 m 沿巷中至巷帮(靠工作面侧)设计4 个注浆孔，巷中1个、肩窝1 个、巷帮2 个，顶板孔仰角45°，帮孔垂直煤壁，设计钻孔孔径φ32.0 ～φ42.0 mm，钻孔深度3.2 m.

3.2.2 预注浆加固防冒顶

先用煤电钻或液压钻机在相邻两台支架前梁端部中间打孔，钻孔与工作面煤壁侧呈45°，然后将博特威、罗克休和马丽散等过钻孔注入工作面支架前梁处顶板进行加固。工作面过断层期间，采用1 个班注浆，2 个班生产作业方式，每推进2.4 m，完成一个循环，直至工作面通过断层。

3.2.3 冒顶区快速注浆固结

将博特威、罗克休、马丽散等高分子材料注入已经破碎或松散的顶板岩石之间，对顶板空洞进行充填的同时将破碎岩石进行胶结，从而形成再生顶板。

3.2.4 煤壁注浆加固防片帮

用煤电钻在工作面煤壁破碎段打眼，将博特威、罗克休、马丽散等高分子材料用注浆机通过钻孔注入煤壁，对工作面煤壁进行加固。

3.3 注浆设备及性能参数

注浆孔施工采用煤电钻配φ38.0 mm 接长螺旋钻杆、φ42.0 mm 钻头，注浆管采用4 寸钢管制作，长2.0 ～4.0 m，成孔困难时则采用注浆钻杆进行注浆，注浆压力6.0 MPa.准备好两桶25 kg 清水和30 kg 机油备作清洗剂，将泵、注射枪、风源、吸料管及出料管接好;将树脂吸料管、催化剂吸料管分别放入料桶内，开动注射泵，以一定配比向内注射。施工中观察注浆量及扩散范围，保证加固效果。

3.4 注浆参数

3.4.1 渗透半径

渗透半径是确定加固区内注浆孔间距及数量的依据。影响渗透半径大小的因素很多，主要取决于注浆压力与时间、裂隙密度、裂隙开度、裂隙迂曲度、浆液的运动黏度、浆液的胶凝时间等。由于煤岩体内节理、裂隙的发育分布程度不均匀，破裂程度不一致，因此，浆液注入煤岩体后的扩散分布范围很不规则;对于碎裂煤岩体，浆液注入后分布范围较均匀。注浆浆液的扩散半径用式(2)估算。

式中 R 为浆液扩散半径，cm;pc为注浆孔内压力，MPa;p0为受注裂缝内地下水压力，MPa;T 为注浆时间，s;b 为裂缝宽度，cm;rc为注浆孔半径，cm;u为浆液黏度，MPa·s.

3.4.2 注浆压力

由于工作面无淋水，注浆压力主要取决于克服浆液在煤岩体缝隙中流动时的摩擦阻力。注浆压力大时，浆液在煤岩体裂隙中的扩散距离远、充填效果好。尤其对破裂顶板，浆液沿顶板内裂隙的流动需要克服较大的阻力，加固断层带破裂顶板时注浆压力一般为4.0 ～6.0 MPa.

3.4.3 注浆量与扩散半径

浆液注入量受注浆压力、时间、煤岩体裂隙发育程度及破碎状况、渗透性等因素影响，注浆总量应保证加固区域围岩的良好注固效果。经计算，单孔注浆量预计为110.0 kg.通过调整浆液的胶凝速度、渗透性和注浆终压，确定有效扩散半径约为3.2 m.

4 注浆材料综合对比

罗克休、马丽散和博特威均含树脂和催化剂两种组分，注入煤岩层几秒钟后，化学反应生成的聚酯类产物膨胀，对破碎煤岩体进行粘结加固。现场每孔注入4 ～6 桶，约160.0 kg 浆液材料。

4.1 罗克休性能

罗克休泡沫由树脂和强催化剂两种成分组成，膨胀后体积为原体积的25 ～30 倍，泡沫反应迅速，常温下20 ～30 s 可反应完毕，20 min 硬化后抗压强度0.2 MPa 左右，其产品性能见表1.

表1 罗克休成分Tab.1 Components of Luokexiu

4.2 马丽散性能

马丽散由树脂、催化剂组成的按一定比例配合的聚氨酯产品，两种合成材料均为液体，反应后具有较高的强度和很强的粘合力。产品注射进煤岩体以后，低粘度混合物保持液体状态几秒钟，能渗透进入细小的裂缝膨胀，使松散破碎煤岩体粘结成一体，其产品性能见表2.

表2 马丽散成分Tab.2 Components of malisan

4.3 博特威性能

博特威浆液为真溶液，粘度低、渗透性好，可封堵微裂隙淋渗水，浆液注入微裂隙后，反应过程中发泡膨胀，自身产生膨胀压力形成二次扩散，固结强度高。马丽散黏度低，能很好地渗入微小的裂隙中;具有极好地黏合能力，可与松散煤岩形成很好黏合;凝固后有良好地柔韧性，能承受随后采动影响;可提高煤岩支撑力，机械阻力高。就破碎煤岩体粘结后抗压强度来讲，博特威效果更好。

5 现场注浆加固实施效果

大采高综采工作面过断层带持续2 个月。工作面未揭露断层前，超前在风机两巷断层影响范围内注博特威与马丽散加固煤层，累计注射博特威12 T，马丽散2 T.断层面揭露范围内围岩松散，工作面多次出现片帮漏冒，在漏冒顶段注射罗克休发泡剂、博特威粘结剂的方式制作人工假顶，架π 型钢梁绞顶，打设锚杆，控制顶帮，注射博特威62.25 T，罗克休30 T.如图4(a)所示，未注浆前，工作面前方煤壁片帮、冒落严重;注浆后如图4(b)所示，工作面得到了有效控制，顶板围岩稳定，岩体在浆料的作用下已被填充粘结成为一体，效果显著(表3)。通过采用上下巷口超前加固、工作面顶板加强控制等，避免了溃水溃沙和设备被埋等，实现了安全开采。

图4 注浆前后效果对比Fig.4 Comparison of effect before and after grouting

表3 注浆前后数据对比Tab.3 Comparison of data before and after grouting

6 结 论

针对清水营煤矿大采高工作面安全穿越断层破碎带煤岩动力学失稳致灾难题，采用综合研究方法，得出如下结论。

1)复杂开采条件下，大采高工作面断层破碎带煤岩岩性复杂、应力变异显著。预注浆加固是促进断层区域破碎煤岩体结构快速耦合控稳与促进安全开采的重要技术方法。

2)提出了预注浆耦合加固方法，设计了注浆工艺，定量确定了注浆参数。

3)实践表明，预注浆耦合加固技术控制了工作面顶板与上下超前巷道稳定，保证了安全开采，取得了显著效果，对类似条件下工作面或巷道安全快速穿越断层破碎带具有借鉴意义。

References

［1］ 宁 宇.大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术［J］.煤炭学报，2009，34(1):50 -53.NING Yu. Mechanism and control technique of the rib spalling in fully mechanized mining face with greatmining height［J］. Journal of China Coal Society，2009，34(1):50 -53.

［2］ 闫少宏.特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究［J］.煤炭学报，2009，34(5):590 -593.YAN Shao-hong.Theory study on the load on support of long wa llw ith top coal caving with greatm ining height in extra thick coal seam［J］.Journal of China Coal Society，2009，34(5):590 -593.

［3］ Q Wu，M Wang，X Wu. Investigations of groundwater bursting into coal mine seam floors from fault zones［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41(4):557 -571.

［4］ 杨忠民，张建华，来兴平，等.复杂特厚富水煤层大采高开采岩层运动局部化特征［J］.煤炭学报，2010，35(11):1 868 -1 872.YANG Zhong-min，ZHANG Jian-hua，LAI Xing-ping，et al.Localized character of stratamovement for complicated super-thick water-rich coal seam with large mining height［J］. Journal of China Coal Society，2010，35(11):1 868 -1 872.

［5］ 魏世义，陈新明，许延春.高承压水过断层破碎带巷道稳定性研究［J］.煤炭科学技术，2013，41(增):8 -10.WEI Shi-yi，CHEN Xin-ming，XU Yan-chun. Reaearch on roadway stabilization passing fault fratured zone above high water pressure of quifer［J］.Coal Science and Technology，2013，41(Suppl.):8 -10.

［6］ 刘泉声，张 伟，卢兴利，等.断层破碎带大断面巷道的安全监控与稳定性分析［J］. 岩石力学与工程学报，2010，29(10):1 954 -1 962.LIU Quan-sheng，ZHANG Wei，LU Xing-li，et al. Safety monitoring and stability analysis of large-scale roadway fault frature zone［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(10):1 954 -1 962.

［7］ 杜志龙，张 良，杨 猛.断层破碎带化学注浆加固处理技术［J］.煤矿开采，2010，15(6):61 -62.DU Zhi-long，ZHANG Liang，YANG Meng. Technology of chemical grouting reinforcement for fault cracked zone［J］.Coal mining Technology，2010，15(6):61 -62.

［8］ 韩继欢，付厚利.金田煤矿软岩巷道注浆堵水方案及应用［J］.煤炭技术，2014，33(8):74 -76.HAN Ji-huan，FU Hou-li. Grouting and water sealing plan and application of weak surrounding rock in Jintian coal mine［J］.Coal Technology，2014，33(8):74 -76.

［9］ 秦续峰，周均忠.下山巷道过含水断层破碎带的注浆加固技术及应用［J］.煤炭与化工，2014，37(4):61 -63.QIN Xu-feng，ZHOU Jun-zhong.Roadway downhill crossing water-bearing fault fracture zone grouting reinforcement technology and application［J］.Coal and Chemical Industry，2014，37(4):61 -63.

［10］袁 辉，邓 昀，蒲朝阳，等.深井巷道围岩L 型钻孔地面预注浆加固技术［J］. 煤炭科学技术，2014，42(7):10 -13.YUAN Hui，DENG Yun，PU Chao-yang，et al. Ltype borehole ground grouting reinforcement technology of surrounding rock in deep mine roadway［J］. Coal Science and Technology，2014，42(7):10 -13.

［11］韩玉明. 综放工作面回风巷超前预注浆加固技术［J］.煤炭科学技术，2013，41(8):42 -45.HAN Yu-ming.Technology of advanced pre-grouting reinforcement in tailentry of fully-mechanized caving coal face［J］.Coal Science and Technology，2013，41(8):42-45.

［12］蒋康前，汪良海.深井穿断层破碎带软岩巷道围岩控制技术研究［J］.煤炭工程，2014，46(3):42 -44.JIANG Kang-qian，WANG Liang-hai.Study on construction and control technology of mine soft rock roadway passing through broken zone of fault［J］.Coal Engineering，2014，46(3):42 -44.