大采高工作面穿越斷層破碎區預注漿耦合加固實踐*

呂兆海，來興平，來紅祥，丁自偉，劉 彪

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安710054;2.神華寧夏煤業集團有限責任公司，寧夏 銀川750004;3.教育部西部礦井開采與災害防治重點實驗室，陜西 西安710054)

0 引 言

復雜特厚煤層大采高條件下開采擾動區(Mining Disturbanced Zone，MDZ)巖移規律復雜，是工作面穿越斷層破碎帶期間(Fault Cracked Zone，FCZ)的動力學失穩與災害控制是個難題［1-3］。楊忠民等采用綜合方法，揭示了特厚煤層大采高開采工作面覆巖載荷局部化非對稱擴展演化機制［4］。劉泉聲等通過對穿越FCZ 監控量測，掌握圍巖變形與支護結構受力信息，驗證施工方案合理性［5］。魏世義等采用數值計算和模擬實驗分析了高承壓水作用下巷道穿越斷層的變形破壞特征［6］。杜志龍等成功運用化學注漿加固巷道斷層破碎帶［7］。韓繼歡等［8］針對寶龍山金田煤礦地質復雜、裂隙較大、巷道圍巖軟弱、涌水量大且涌水點不明確等特點，提出了采用雙液水泥-水玻璃漿液對涌水區域進行工作面預注漿。秦續峰等［9］針對新河礦業公司下山巷道掘進遇到含水斷層破碎帶的情況，選用高效改性聚亞胺樹脂注漿材料波雷音對該含水斷層破碎帶進行注漿加固，安全成功的掘進通過該含水斷層破碎帶，為類似條件礦井提供借鑒。袁輝等［10］為提高深井巷道圍巖的穩定性和支護體系的安全性，提出采用定向鉆進L 型鉆孔地面預注漿加固技術，應用此技術對信湖煤礦井底車場的中央泵房、變電所進行了注漿加固，大幅提高單孔注漿范圍和注漿效果，單孔造斜段注漿量可達145 m3，水平加固段注漿量可達955.5 m3，確保了深井巷道圍巖的穩定性。韓玉明等［11］為解決綜采工作面終采線附近回風巷圍巖受強采動影響難以控制的難題采用，超前工作面巷道預注漿加固技術，進一步提高錨桿(索)預緊力的擴散效果，顯著減小破碎圍巖的變形移動。蔣康等［12］前在總結劉莊煤礦穿斷層破碎帶軟巖巷道圍巖破壞特征的基礎上，提出了巷道圍巖分步耦合支護技術方案，有效解決了劉莊煤礦深井軟巖巷道穿斷層破碎帶施工圍巖穩定控制難題。徐升等針對淮南顧橋煤礦南翼膠帶輸送機大巷(二)穿過斷層地質異常區的問題，通過超前注漿加固、壁后注漿和底板注漿等措施，提高圍巖承載能力，有效地控制了圍巖變形，保證了巷道施工安全。

通過對上述文獻的分析可見，目前煤礦中加固頂板一般采用架棚挑棚、打樹脂錨桿和注水泥漿等;控制冒頂措施包括提高支柱初撐力、縮小梁端距、減少空頂面積和及時支護等。寧夏寧東鴛鴦湖礦區清水營煤礦110203 大采高(4.2 m)綜采工作面主采2#煤層，頂底板巖性和厚度變化大，煤巖松散破碎，穩定性差，大采高工作面在穿越斷層過程中多次出現大面積漏矸漏砂和冒頂片幫現象，嚴重制約安全高效開采。針對清水營煤礦大采高工作面安全穿越斷層破碎帶難題，采用工程調查、理論分析和現場實踐等，提出了預注漿耦合加固(Pre-Grouting Coupling Reinforcement，PCCR)方法。現場實踐表明，采用預注漿耦合加固方法，有效控制了工作面頂板和上下超前巷道穩定，保證了安全開采。

1 注漿耦合加固破碎煤巖體機理分析

注漿耦合加固方法具有快速充填圍巖裂隙、固結松散體和提高了圍巖整體承載能力等綜合效應。斷層和頂板破碎區煤巖體雖具一定強度，但抵御工作面圍巖深層變形能力顯著降低。通過注漿耦合加固，對于破碎煤巖體可實現結構性能改變，更重要的是力學性能的提升，即提高裂隙的粘結力和內摩擦角，增大煤巖體內部塊間相對位移與阻力，提高圍巖整體承載力。

1.1 充填密實與骨架重構

破碎煤巖體內部預存大量裂隙是應力與變形難以控制的稟賦性特征，注漿不但可以將相互連通的巖體裂隙充滿，還可將充填不到的封閉裂隙和孔隙壓縮，提高了圍巖彈性模量和剪切模量，進而提高圍巖力學強度。同時，破碎煤巖體內部裂隙相互貫通，加壓漿液滲透到破碎煤巖體內部，耦合快速凝固之后形成“骨架”結構，支撐能力顯著提高。

1.2 耦合粘結補強

耦合粘結補強是注漿之后對破碎煤巖最重要的加固作用。從力學角度出發，注漿改變了破碎煤巖的基本力學性質，提高了巖體強度。注漿加固補強作用可采用莫爾強度理論(式(1))進行分析。

式中 τ 為抗剪強度;σ 為內部正應力;C 為內聚力;φ 為內摩擦角。

從式(1)可看出，在應力狀態一定情況下，巖體強度是由C，φ 決定。當集中切向應力超過巖體的強度極限時，工作面淺層圍巖首先破壞并產生裂隙，應力與內摩擦角降低，圍巖在一定范圍內形成具有殘余強度的破碎帶，但其抵抗深層變形能力顯著降低，通過注漿可提高裂隙的粘結力和內摩擦角，增大巖體內部塊間相對位移的阻力，改善巖體弱面力學性能，提高圍巖整體穩定性。另外，巖體c，φ 值增值大小與注漿材料性能與工藝密切關聯，一般來講，注漿材料本身固結強度高、穩定性好，注漿工藝合理，能保證巖體裂隙充填密實，漿液與裂隙面粘結牢靠，其c，φ 值的增值較大。

1.3 轉變破壞演化行為

通過注漿施工能夠改變破碎巖體破壞演化路徑，從損傷及斷裂力學角度，巖體的破壞是由于內部裂紋在外力的作用下，其裂紋尖端發生應力集中，而形成的有效擴展進而貫穿造成的。注漿后巖石內部的裂紋大量的減少。通過膠結作用，裂紋與巖體形成了有效整體，應力集中顯著削弱，最終改變了其破壞方式。未注漿巖體中裂隙處的結構單元處于二向應力狀態，注漿后應力狀態恢復為三向。在三向應力狀態下巖體演化形成新的平衡狀態，巖體塑性增強，提高了圍巖體的強度。

2 工程調查與動力學失穩現象描述

寧東鴛鴦湖礦區清水營煤礦110203 綜采工作面主采2#煤層，傾斜長190 m，煤層傾角25° ～30°，均厚5.74 m，采高4.2 m.頂底板巖性和厚度變化較大，頂底板巖性以砂巖及粉砂巖為主，巖石較松散，強度低、堅固性差、易風化［14-15］。如圖1 所示斷層影響區域上口影響長度51.0 m，下口影響長度18.0 m，揭露斷層落差為4.90 m，風機兩巷掘進時由斷層下盤2#煤底板穿過斷層面后進入上盤2#煤中;兩巷巷道圍巖松散，頂板破碎與下沉變形嚴重。

圖1 斷層結構與分布情況Fig.1 Structure and distribution of fault

2012 年2 月12 日，上口推進至82.0 m，下口推進至77.5 m，上口開始揭露F18斷層，工作面推進中多次出現大面積漏矸漏砂和冒頂片幫現象(圖2)。

圖2 現場大尺度冒落失穩現象Fig.2 Large-scale caving instability phenomenon(a)25 ×3.6 ×3.0 冒頂區 (b)頂梁前段漏頂

3 工作面穿越斷層注漿工藝方法

常規處理冒頂的方式為架棚、穿梁、打木垛法和錨桿、錨索支護法，這些方法工作量大、施工環境差。針對過斷層期間工作面大尺度空間連續性冒落災害，采取了羅克休泡沫對冒頂區進行充填，馬麗散、博特威加固破碎煤巖體的維護方案。化學漿液反應迅速、硬化時間短，能及時充填和加固冒落區，膠結破碎頂板，提高冒落區圍巖穩定性。

3.1 注漿工藝與系統布置

注漿工藝包括鉆孔、封孔、注漿3 個部分。采用錨桿機、煤電鉆進行鉆孔施工，鉆孔形成后，采用風壓提供動力，通過高壓管路供風，進風管路連接至注漿加固地點，由注漿泵對鉆孔進行注漿，注漿完成后進行封孔。注漿系統工藝布置如圖3 所示。

圖3 注漿系統設備布局Fig.3 Grouting system equipment layout

3.2 施工方案

3.2.1 兩巷超前加固防破壞

風機兩巷超前20.0 m 范圍內，每隔2.0 m 沿巷中至巷幫(靠工作面側)設計4 個注漿孔，巷中1個、肩窩1 個、巷幫2 個，頂板孔仰角45°，幫孔垂直煤壁，設計鉆孔孔徑φ32.0 ～φ42.0 mm，鉆孔深度3.2 m.

3.2.2 預注漿加固防冒頂

先用煤電鉆或液壓鉆機在相鄰兩臺支架前梁端部中間打孔，鉆孔與工作面煤壁側呈45°，然后將博特威、羅克休和馬麗散等過鉆孔注入工作面支架前梁處頂板進行加固。工作面過斷層期間，采用1 個班注漿，2 個班生產作業方式，每推進2.4 m，完成一個循環，直至工作面通過斷層。

3.2.3 冒頂區快速注漿固結

將博特威、羅克休、馬麗散等高分子材料注入已經破碎或松散的頂板巖石之間，對頂板空洞進行充填的同時將破碎巖石進行膠結，從而形成再生頂板。

3.2.4 煤壁注漿加固防片幫

用煤電鉆在工作面煤壁破碎段打眼，將博特威、羅克休、馬麗散等高分子材料用注漿機通過鉆孔注入煤壁，對工作面煤壁進行加固。

3.3 注漿設備及性能參數

注漿孔施工采用煤電鉆配φ38.0 mm 接長螺旋鉆桿、φ42.0 mm 鉆頭，注漿管采用4 寸鋼管制作，長2.0 ～4.0 m，成孔困難時則采用注漿鉆桿進行注漿，注漿壓力6.0 MPa.準備好兩桶25 kg 清水和30 kg 機油備作清洗劑，將泵、注射槍、風源、吸料管及出料管接好;將樹脂吸料管、催化劑吸料管分別放入料桶內，開動注射泵，以一定配比向內注射。施工中觀察注漿量及擴散范圍，保證加固效果。

3.4 注漿參數

3.4.1 滲透半徑

滲透半徑是確定加固區內注漿孔間距及數量的依據。影響滲透半徑大小的因素很多，主要取決于注漿壓力與時間、裂隙密度、裂隙開度、裂隙迂曲度、漿液的運動黏度、漿液的膠凝時間等。由于煤巖體內節理、裂隙的發育分布程度不均勻，破裂程度不一致，因此，漿液注入煤巖體后的擴散分布范圍很不規則;對于碎裂煤巖體，漿液注入后分布范圍較均勻。注漿漿液的擴散半徑用式(2)估算。

式中 R 為漿液擴散半徑，cm;pc為注漿孔內壓力，MPa;p0為受注裂縫內地下水壓力，MPa;T 為注漿時間，s;b 為裂縫寬度，cm;rc為注漿孔半徑，cm;u為漿液黏度，MPa·s.

3.4.2 注漿壓力

由于工作面無淋水，注漿壓力主要取決于克服漿液在煤巖體縫隙中流動時的摩擦阻力。注漿壓力大時，漿液在煤巖體裂隙中的擴散距離遠、充填效果好。尤其對破裂頂板，漿液沿頂板內裂隙的流動需要克服較大的阻力，加固斷層帶破裂頂板時注漿壓力一般為4.0 ～6.0 MPa.

3.4.3 注漿量與擴散半徑

漿液注入量受注漿壓力、時間、煤巖體裂隙發育程度及破碎狀況、滲透性等因素影響，注漿總量應保證加固區域圍巖的良好注固效果。經計算，單孔注漿量預計為110.0 kg.通過調整漿液的膠凝速度、滲透性和注漿終壓，確定有效擴散半徑約為3.2 m.

4 注漿材料綜合對比

羅克休、馬麗散和博特威均含樹脂和催化劑兩種組分，注入煤巖層幾秒鐘后，化學反應生成的聚酯類產物膨脹，對破碎煤巖體進行粘結加固。現場每孔注入4 ～6 桶，約160.0 kg 漿液材料。

4.1 羅克休性能

羅克休泡沫由樹脂和強催化劑兩種成分組成，膨脹后體積為原體積的25 ～30 倍，泡沫反應迅速，常溫下20 ～30 s 可反應完畢，20 min 硬化后抗壓強度0.2 MPa 左右，其產品性能見表1.

表1 羅克休成分Tab.1 Components of Luokexiu

4.2 馬麗散性能

馬麗散由樹脂、催化劑組成的按一定比例配合的聚氨酯產品，兩種合成材料均為液體，反應后具有較高的強度和很強的粘合力。產品注射進煤巖體以后，低粘度混合物保持液體狀態幾秒鐘，能滲透進入細小的裂縫膨脹，使松散破碎煤巖體粘結成一體，其產品性能見表2.

表2 馬麗散成分Tab.2 Components of malisan

4.3 博特威性能

博特威漿液為真溶液，粘度低、滲透性好，可封堵微裂隙淋滲水，漿液注入微裂隙后，反應過程中發泡膨脹，自身產生膨脹壓力形成二次擴散，固結強度高。馬麗散黏度低，能很好地滲入微小的裂隙中;具有極好地黏合能力，可與松散煤巖形成很好黏合;凝固后有良好地柔韌性，能承受隨后采動影響;可提高煤巖支撐力，機械阻力高。就破碎煤巖體粘結后抗壓強度來講，博特威效果更好。

5 現場注漿加固實施效果

大采高綜采工作面過斷層帶持續2 個月。工作面未揭露斷層前，超前在風機兩巷斷層影響范圍內注博特威與馬麗散加固煤層，累計注射博特威12 T，馬麗散2 T.斷層面揭露范圍內圍巖松散，工作面多次出現片幫漏冒，在漏冒頂段注射羅克休發泡劑、博特威粘結劑的方式制作人工假頂，架π 型鋼梁絞頂，打設錨桿，控制頂幫，注射博特威62.25 T，羅克休30 T.如圖4(a)所示，未注漿前，工作面前方煤壁片幫、冒落嚴重;注漿后如圖4(b)所示，工作面得到了有效控制，頂板圍巖穩定，巖體在漿料的作用下已被填充粘結成為一體，效果顯著(表3)。通過采用上下巷口超前加固、工作面頂板加強控制等，避免了潰水潰沙和設備被埋等，實現了安全開采。

圖4 注漿前后效果對比Fig.4 Comparison of effect before and after grouting

表3 注漿前后數據對比Tab.3 Comparison of data before and after grouting

6 結 論

針對清水營煤礦大采高工作面安全穿越斷層破碎帶煤巖動力學失穩致災難題，采用綜合研究方法，得出如下結論。

1)復雜開采條件下，大采高工作面斷層破碎帶煤巖巖性復雜、應力變異顯著。預注漿加固是促進斷層區域破碎煤巖體結構快速耦合控穩與促進安全開采的重要技術方法。

2)提出了預注漿耦合加固方法，設計了注漿工藝，定量確定了注漿參數。

3)實踐表明，預注漿耦合加固技術控制了工作面頂板與上下超前巷道穩定，保證了安全開采，取得了顯著效果，對類似條件下工作面或巷道安全快速穿越斷層破碎帶具有借鑒意義。

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