1、收稿日期：作者简介：王守国（），男，河北邢台人，工程师，主要负责全矿井管理工作。断层破碎带注浆加固技术实践王守国（中煤昔阳能源有限责任公司，山西 晋中 ）摘要：针对白羊岭煤矿 工作面过断层存在顶板破碎、矿压显现强烈的问题，以推进方向上的 和 断层为工程背景，选取 无机加固材料对断层破碎带落差大、对工作面安全回采影响大的区域进行不饱和注浆，并设计自制了一种自封孔式定向注浆钢管应用于现场的注浆加固工程中。在胶带顺槽内设计了合适的钻孔参数并采取了合理的注浆工艺对断层进行注浆加固，使得破碎的煤岩体能够重新胶结为统一的整体。现场实践效果表明，自封孔式定向注浆钢管能够达到注浆的要求并且能够节省浆料，注浆加
2、固后能够将断层重新胶结为统一的整体，提高围岩强度，对抑制顶板来压异常效果显著，具有一定的推广和应用价值，对类似过断层的注浆加固工程提供了借鉴。关键词：断层；破碎带；无机加固材料；注浆钢管；注浆加固；胶结中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，：；引言我国煤炭资源丰富，煤炭在一次能源的消费中占有相当大的比重 。我国不同地区的煤矿开采条件错综复杂，在煤矿回采过程中往往会遇到大落差大倾角的断层破碎带，根据矿井的总体设计以及地表构筑物的影响，此类构造经常是无可避免的 。工作面回采过程中遇到的断层等构造破碎带往往会引起工作面上方冒顶、矿压现象强烈甚至压死支架，对工作面人员和设备存在很大的安全隐患
3、 。因此，如何顺利安全的通过工作面推进方向上不可避免遇到的断层破碎带是采矿工作者们面临的一大难题。近年来，随着我国对煤炭能源的不断需求以及采矿技术的不断进步，越来越多地区的矿井开始向深层复杂地质构造的煤层开采 ，但断层等构造破王守国断层破碎带注浆加固技术实践 年碎带制约了煤炭资源的安全开采 。断层破碎带的存在使工作面原有的原岩应力状态发生变化，回采工作面顶板来压大 ，回采困难，容易造成瓦斯泄露与瓦斯超标甚至导致工作面透水，因此亟需采用一定的技术和手段对工作面推进方向上的断层进行注浆加固，保证工作面的安全高效回采。关于断层的注浆加固，部分学者已经取得了一定的研究成果。严国超等 对硫铝酸盐水泥注浆
4、材料进行改性，通过流动度、力学性能测试和 、等手段对材料的结构和力学性能进行测定，从微观层面揭示了水溶性聚氨酯对材料的改性作用，应用于宏岩煤矿后现场实施效果证明该种材料具有良好的加固效果。张华磊等 对薄基岩的破断机理进行了分析，对顾北矿的工作面的风氧化带注浆加固技术进行了研究，从地面采用 型水平羽翼分支孔对风氧化带进行注浆加固，采场上方构建了一层承载层，保证了工作面的安全回采。孙守义等 对发耳煤矿的轨道大巷围岩变形、破碎严重、锚固结构极易失效的地段进行了注浆加固修复，注浆后巷道顶底板和两帮的变形量明显减小，岩裂隙基本被浆液充填，巷道变形基本得到控制。张进鹏等 以平煤十矿为工程背景，基于失稳机理
5、探究裂隙岩体自应力浆液加固原理，研发出了新型高强预应力注浆锚杆系统，设计了破碎围岩锚注支护方案，使破碎围岩得到了良好的控制。基于以上分析，以往的学者研究的重点大都集中于对破碎围岩的机理、注浆机理、注浆材料的研究，对破碎带的建模以及注浆工艺的研究相对缺乏。针对中煤昔阳能源有限公司白羊岭煤矿 工作面推进方向上遇到的 、断层的问题，提出对 个断层采取注浆加固的方案。注浆能够有效填补断层之间的裂隙和孔缝，能很好解决工作面顶板的矿压强烈现象，将破碎的围岩重新胶结为一个统一的整体，保证工作面的安全高效回采。因此，对工作面推进方向上的断层进行注浆加固，对于保证回采面上人员和机械设备的安全具有重要的意义。工程
6、概况白羊岭煤矿目前回采 工作面，工作面基本情况如图 所示。根据 轨道顺槽、胶带顺槽、底板巷及 高抽巷实际揭露资料、顺层钻孔、三维地震勘探资料、槽波探测资料等分析，考虑工作面推进度，随着 工作面推采，将相继进入 （）正断层、正断层组（落差达 ），该断层破碎区域从 胶带顺槽侧开始波及至 轨道顺槽侧，正断层影响推采长度约 ，正断层影响推采长度约 ，倾向的影响范围几乎涵盖了工作面全长，影响工作面推进长度约 。?图 工作面断层情况 因此，从工作面顺槽侧开始布置注浆孔，选择适合的注浆材料及注浆工艺，对断层带沿断层破碎面进行长距离、大直径、高压、超前加固，对于保障 工作面安全回采非常有必要，因此设计注浆加固
7、区域是 和 所在的倾角大、落差大、对回采工作影响较大的断层构造破碎区域进行局部的、有针对性的不饱和注浆。模型建立为了对工作面煤层的倾向、走向和断层的倾角落差有一个更直观更全面的认识，建立了工作面断层的三维立体动画模型和三维立体的实物模型。三维动画模型如图 所示，三维实物模型如图 所示。图 三维动画模型 图 实物立体模型 第 期王守国断层破碎带注浆加固技术实践图 中黑色的部分代表煤层，灰色的部分代表断层，从三维模型图和实物立体模型图不难看出，和 这 个断层存在于工作面推进方向上，且 个断层的落差过大，采煤机硬过势必会因顶板压力过大而对工作面的人员和机械设备造成安全隐患，因此有必要对断层进行注浆使
8、其与煤岩体胶结成为统一整体。另外，三维模型的建立，也为注浆工艺的设计和注浆孔的布置提供了参考。注浆管设计 现存注浆管的缺陷采用注浆的措施来对构造破碎带进行加固，可达到改善围岩力学性质，增强围岩整体性，控制围岩变形的效果。随着注浆工艺的不断发展，主要衍生了注浆钢管注浆和注浆锚索注浆 种方式，以往的注浆工艺存在的主要问题有两方面。传统的注浆工艺中在用囊袋或专用封孔器注浆时，会不可避免地发生因封孔强度不够而导致跑浆漏浆情况 ；在对破碎带进行长距离、大直径、高压超前加固过程中，在注浆孔内对采掘工程基本没有影响的小的构造破碎带也进行了注浆，造成了注浆材料的浪费。自封孔式定向注浆钢管设计为解决现存的注浆钢
9、管存在的缺陷及问题，文中设计了一种自封孔式定向注浆钢管，其杆体为刚性注浆钢管，在其头部设置有圆形的出浆孔，橡胶囊袋封孔器嵌套在注浆钢管杆体上，使用时注入高压水以此来达到封孔的目的，如图 所示。?高压水胶管；尾部橡胶囊袋封孔器；头部囊袋封孔器；出浆孔；注浆管杆体图 自封孔式定向注浆钢管 自封孔式定向注浆钢管的注浆管杆体为头部设计有出浆口的注浆钢管，使用时注浆管内的浆料从出浆口泵出，实现定向注浆的目的；橡胶囊袋封孔器嵌套在注浆钢管杆体上，出浆口两侧各嵌套一个橡胶囊袋封孔器，个橡胶囊袋封孔器之间通过高压水胶管连接，使用时注入高压水使橡胶囊袋封孔器膨胀贴紧注浆孔壁和注浆钢管以达到封孔的目的。使用方法自
10、封孔式定向注浆钢管的使用方法如图 所示。首先，在巷道内沿工作面方向倾斜向上布置注浆孔，注浆孔的深度满足穿过断层。接着，将自封孔式定向注浆管伸入注浆孔内，其伸入的深度要满足出浆孔位于断层所在位置，头部橡胶囊袋封孔器穿过断层，尾部囊袋封孔器在断层位置之后。最后，通过高压水胶管向囊袋内注入高压水，使所述头部高压水封孔囊袋和尾部高压水封孔囊袋紧贴注浆孔孔壁，以此达到封孔的效果。?高压水胶管；尾部橡胶囊袋封孔器；头部囊袋封孔器；出浆孔；注浆管杆体；高压水；岩体；煤体；断层裂隙带；注浆孔；回采巷道图 自封孔式定向注浆钢管使用方法 陕西煤炭 年 自封孔式定向注浆钢管优点采用高压水注入橡胶封孔囊袋中，可以通过
11、调节高压水的水压对注浆孔进行封孔，从而避免跑浆漏浆问题；浆料从注浆管的出浆口泵出时可以通过头部橡胶囊袋和尾部橡胶囊袋对浆料进行隔离，高压浆料只能被注入断层破碎带，从而实现对断层破碎带的定向注浆；在对破碎带进行长距离、大直径、高压超前加固过程中，在注浆孔内的浆料不会注入对采掘工程基本没有影响的小的构造破碎，从而达到节省注浆材料的目的。注浆技术方案 注浆材料目前国内外用于注浆加固的材料可以分为水泥浆料和化学浆料 种 。水泥浆材结石强度高、来源丰富、工艺简单、成本低，但这种浆液在使用过程中容易产生离析和沉淀，并且水泥料颗粒度大，难以注入岩层的细小孔隙中。化学浆液可注性好，能注入煤岩体中的细小孔隙中，
12、但化学浆液性能差异大，材料强度有限、成本高，且部分化学浆料具有毒性。通过对水泥浆料和化学浆料对比分析后，本次注浆选用 型无机充填加固材料，该种材料属于水泥类注浆料，具有初凝快、无收缩、微膨胀、高渗透、高流动、高强度、高折度、不含化学物、温度低、抗腐蚀的特点。笔者对 材料的抗压强度、抗折强度、粘合度和流动度等参数进行了测定，测定结果见表 。表 材料性能指标 性能指标数值 抗压强度 抗压强度 抗压强度 抗压强度 抗拉强度 粒径 初凝时间 初始流动度 性能指标数值 抗折强度 抗折强度 抗折强度 抗折强度 粘合度 施工温度 终凝时间 水灰比 注浆孔布置结合以往工程实例中 材料的应用，该种材料的浆液扩散
13、半径为 。此次主要是对 工作面的 和 断层进行注浆加固，为确保浆液更好扩散从而对断层进行封闭，此次注浆在 胶带顺槽侧和 工作面内布置注浆孔，对断层落差大的地方进行不饱合注浆加固。断层注浆孔布置为保证综采工作面安全地通过 断层，在 胶带顺槽内布置注浆孔，对 断层进行注浆加固。注浆孔单排布孔，间距 ，钻孔施工角度根据现场及时进行调整。钻孔施工的长度以穿越 断层面附近 岩或 煤为准。胶带顺槽侧注浆孔平面布置如图 所示，断层注浆孔布置参数见表 。表 断层注浆孔布置参数 钻孔编号深度 方位角（）倾角（）施工位置 测点后 测点后 测点后 测点后 测点后 测点后 测点后?图 断层注浆孔布置 第 期王守国断层
14、破碎带注浆加固技术实践 断层注浆孔布置为保证工作面安全通过 断层，在 胶带顺槽内布置倾斜注浆孔，钻孔按单排布孔，孔距 。钻孔施工倾角根据现场实际情况进行调整。钻孔以实际见煤 后退钻杆，胶带顺槽侧注浆孔布置平面图如图 所示，胶带顺槽侧注浆孔参数见表 。?图 断层注浆孔布置 注浆工艺根据白羊岭煤矿的煤岩体各项物理参数测定的结果以及以往工作面注浆加固的工程实际情况，注浆压力控制在 进行注浆。具体施工工艺为：标记钻孔位置布置钻机、调整角度打孔、钻孔完毕后退出钻杆、钻头压风排渣钻孔内采用花管护孔安装注浆管、注浆管螺纹端外露 封孔（囊袋封孔）安装孔口截止阀连接注浆系统制浆开泵注浆至终压稳定停泵，关闭孔口阀
15、拆除注浆系统，移至下一个注浆孔，单孔注浆结束。表 加固 断层注浆孔布置参数表 钻孔编号深度 方位角（）倾角（）施工位置 测点后 测点后 测点后 测点后 测点后 测点后 测点后 注浆效果采用无机加固材料对工作面推进方向的断层加固，可提升顶板的稳定性，使煤岩体节理被填充，胶结成稳定的结块。同时，该无机材料无发热性，可减少遗煤自燃氧化风险，煤岩体形成稳定承载结构后利用工作面过断层期间可快速推进。注浆加固后，对加固后的煤岩体进行取样测试，实验结果表明，断层注浆加固后，粘结后的煤岩体的抗压强度和抗折强度等各项性能参数均符合要求，能够满足工作面顺利通过断层破碎带。采取不饱合注浆的方式对 工作面内落差较大的
16、 和 断层进行加固，可以使对工作面影响大的断层有效胶结为统一的整体。根据工作面回采至 和 区域时，可以明显的看到白色的注浆材料对断层构造带的围岩裂隙和大的裂缝进行了填充，有效地将 个断层破碎的围岩胶结成了统一的整体；通过注浆加固后，工作面回采时未出现煤壁片帮、冒顶、液压支架阻力增大、矿压显现异常等现象。基于以上现场回采结果可知，注浆材料对断层进行了良好的填充固化作用，保证了工作面顺利的通过 和 断层。结论（）针对白羊岭煤矿 工作面推进方向上的 和 断层加固技术进行了研究并应用于工程实际，注浆加固后能够将断层重新胶结为统一的整体，提高围岩强度，对抑制顶板来压异常效果显著，具有很大的推广和应用价值
17、。（）针对 工作面过断层所面临的顶板破碎的难题，设计自制了一种自封孔式的定向注浆钢管并提供了其使用方法，实践结果证明该种钢管和注浆方法取得了良好的效果。（）选择了 型注浆材料，并设计了合理的注浆参数，采用不饱和注浆的方式对断层落差大的地方进行了注浆，解决了白羊岭煤矿的实际问题，对以后类似过断层的注浆加固工程提供了借鉴。参考文献：肖曲 深部大采高工作面破碎顶板加固实践 陕西煤炭，（）：张红 综采工作面过地质构造异常带注浆加固技术 煤矿现代化，（）：，童仁剑，郑士田，吴燕军，等 地面定向孔超前预注浆掩护巷道穿断层破碎带关键技术 煤炭科学技术，（）：欧阳蕊灿，王卫军，袁超 考虑孔隙水压的岩体蠕变本构
18、模型 矿业工程研究，（）：张晓岩 地震多属性融合技术在煤矿隐蔽断层构造识别中的应用研究 煤炭与化工，（）：，李科 掘进巷道过断层联合支护方案研究 机械管理开发，（）：，严国超，白龙剑，张志强，等 改性硫铝酸盐水泥注浆材料试验与应用 煤炭学报，（）：张华磊，涂敏，程桦，等 薄基岩采场覆岩破断机理及风氧化带整体注浆加固技术 煤炭学报，（）：孙守义，赵长政，张云，等 多煤层重复采动穿层大巷围岩变形特征及修复加固技术研究 采矿与安全工程学报，（）：张进鹏，刘立民，刘传孝，等 基于预应力锚和自应力注的深部裂隙岩体锚注加固机制研究 岩土力学，（）：曾东豪 预制混凝土外墙细部设计研究 西南交通大学，毛宏远 吕家坨矿深部巷道中空注浆锚索加固研究与应用 河北工程大学，陕西煤炭 年
