大断面煤巷过断层组超前预注浆加固应用研究

第１８卷第４期（总第１１３期）　２０１３年８月　煤　矿　开　采　Ｃｏａｌ　ｍｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．１８Ｎｏ．４（Ｓｅｒｉｅｓ　Ｎｏ．１１３）　Ａｕｇｕｓｔ　２０１３　大断面煤巷过断层组超前预注浆加固应用研究　李木宣　，马海峰　（１．贵州省煤矿设计研究院，贵州贵阳５５００２５；２．中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京１０００８３）　【摘要］　针对煤巷过断层组破碎带顶板难以控制的难点，采用超前中空注浆锚杆锚索预注马　丽散的技术对巷道顶板和两帮进行了加固；介绍了加固性注浆的注浆范围、超前距、扩散半径、钻孔　布置、注浆压力等参数的确定。现场试验效果表明，注马丽散有效控制了巷道围岩变形，避免了巷道　堵塞、冒顶和片帮事故，提高了掘进速度，保证了安全施工。　［关键词］　大断面；超前预注浆；马丽散；断层；煤巷　［中图分类号］ＴＤ２６５．４　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００６－６２２５（２０１３）０４—００７８．０４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｒｅ－ｇｒｕｎｔｉｎｇ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｉｎ　Ｄｒｉｖｉｎｇ　Ｃｏａｌ　Ｒｏａｄｗａｙ　ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｆａｕｌｔｓ　ＬＩ　Ｍｕ，ｘｕａｎ　．ＭＡ　Ｈａｉ．ｆｅｎｇ　（１．Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕｉｙａｎｇ　５５００２５，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ＆Ｓａｆｅｔｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｄｉｉｃｕｌｔｆ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｓｉｎｇ　ｃｒａｃｋｅｄ　ｒｏｏｆ　ｉｎ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｃｏａｌ　ｒｏａｄｗａｙ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｆａｕｌｔｓ，ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｐｒｅ—ｇｒｕｎｔｉｎｇ　Ｍａｆｔｈａｎ　ｗｉｔｈ　ｈｏｌｌｏｗ　ａｎｃｈｏｒｅｄ　ｂｏｌｔ　ａｎｄ　ｃａｂｌｅ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ　ｒｏｏｆ　ａｎｄ　ｔｗｏ—ｓｉｄｅ．Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｇｒｕｎｔｉｎｇ　ｒａｎｇｅ，ｐｒｅ—ｇｒｕｎｔｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｂｏｒｅｈｏｌｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇｒｕｎｔｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　Ｍａｒｉｔｈａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｅｖｅｎｔｅｄ　ｒｏａｄｗａｙ　ｂｌｏｃｋｉｎｇ，ｒｏｏｆ　ｆａｉｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏａｌ—ｗａｌｌ　ｓｌｉｄｉｎｇ．Ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｗａｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｓａｆｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ；ｐｒｅ—ｇｒｕｎｔｉｎｇ；Ｍａｆｉｔｈａｎ；ｆａｕｌｔ；ｃｏａｌ　ｒｏａｄｗａｙ　我国煤矿地质条件各异，软岩在近半数矿井都　有赋存。随着开采深度的增加，导致地质条件恶　化、破碎岩体增多和地应力增大，造成深井巷道围　岩稳定性控制与支护的难度加大，尤其是“三软”　煤层巷道围岩破碎范围大，掘进和回采期间需多次　灾害：煤与瓦斯突出、透水和冒顶　Ｊ。　（１）断层破碎带诱发煤与瓦斯突出　断层破　碎带通常既是瓦斯流动的良好通道，也是储存大量　瓦斯的场所，当巷道接近断层时容易发生煤与瓦斯　突出。　翻修，影响巷道使用和正常通风。　国内外针对这类巷道，通常采用重型Ｕ型钢　（２）断层破碎带诱发突水事故　统计资料显　示，我国煤矿区８０％突水事故是由断层引起的，　断层赋存条件各异，突水机理也分为多种情况。　可缩金属支架壁后充填、封闭式碹体、锚网索注、　爆破卸压锚注等方式进行支护。尤其是遇断层破碎　带时，地质构造作用使得围岩更加破碎，一般的支　护方式难以达到巷道围岩稳定的要求，断层成了影　响巷道安全掘进的重要因素。本文针对大断面煤巷　遇断层组的工程实际，采用注浆锚杆和注浆锚索超　前预注浆加固的支护技术，有效地解决了该类巷道　的安全掘进问题　。　（３）断层破碎带诱发冒顶事故　断层造成巷　道顶板破碎，在这些地段掘进，如果支护不当，冒　高就难以控制，导致巷道堵塞，无法继续掘进，甚　至出现顶部事故。　２超前预注浆加固工艺参数　２．１注浆材料　１断层破碎带掘进主要问题　因地应力沿断层面集中释放，常造成断层面处　注浆材料主要起到粘结破碎岩层的作用，一方　面可以加固围岩，提高围岩强度，另一方面还可以　岩体十分破碎，形成断层破碎带，破碎带宽几厘米　至几百米不等。断层破碎带主要是碎裂结构岩体和　散体结构岩体，在断层破碎带施工时容易诱发３种　起到堵水等作用。目前常用注浆材料可分为颗粒浆　液和化学浆液。颗粒性注浆材料主要有单液水泥　浆、黏土水泥浆、水泥一水玻璃浆。黏土水泥浆与　单液水泥浆相比，不仅能节省７０％～８０％水泥用　［收稿日期］２０１３一Ｏ１—３０　［作者简介］李木宣（１９７９一），男，贵州赫章人，采矿工程师，主要从事煤矿开采设计工作。　７８　李木宣等：大断面煤巷过断层组超前预注浆加固应用研究　２０１３年第４期　量，大大降低注浆成本，还可缩短４０％～６０％注　浆工期。化学浆液具有黏度低，可注性好，可处理　细小裂隙和粉细砂层等颗粒浆液无法注入的地层和　凝胶时间可准确控制等优点，但化学浆液价格比较　昂贵，且往往有毒性和污染环境的问题，用于煤层　注浆时，化学浆液反应产生大量热量，容易引发煤　层自燃事故。　注浆材料选择时优先选择水泥浆，然后是水泥　一水玻璃浆，最后是化学浆。但是化学浆解决了传　统架棚挑棚、打前探梁、注水泥浆等施工量大、劳　动强度高、强度低易压裂、寿命期短等问题，在巷　道过断层施工中取得了良好的效果，技术也比较成　熟。马丽散是一种低黏度、双组分合成高分子聚亚　胺胶脂材料，当树脂和催化剂掺在一起注进岩层１　～２ｍｉｎ后即可产生化学反应，并膨胀、发泡生成　多元网状密弹性体。由于马丽散黏度低，可沿煤岩　层裂缝延展渗透进很细小的裂缝（包括肉眼难以　觉察的裂隙及在高压作用下重新张开的裂隙）发　生膨胀，使松散破碎的围岩粘结成一体。　２．２注浆范围　注浆范围取决于巷道围岩松动圈的大小，松动　圈测试方法主要有：声波法、地震波法、地质雷达　法和钻孔摄像法。钻孔摄像法与其他方法相比，具　有直观、精度高的优点，所以松动圈的测试一般采　用ＳＹＳ（Ｂ）矿用钻孔窥视仪，能方便地识别煤岩　界面和裂隙。根据大量的测试结果，煤巷围岩松动　圈一般为０—３ｍ。　２．３注浆超前距　超前预注浆需要预留一定的注浆超前距，防止　巷道掘出后顶板冒落。预注浆超前距一般根据施工　工艺和注浆效果来确定。　２．４注浆扩散半径　注浆扩散半径与注浆时间、浆液黏度、裂隙产　状、注浆工艺参数等有关，注浆扩散半径存在极限　值。工程上采用下式估算岩层中注浆扩散半径：　叫　】　式中，Ｋ为岩石的渗透系数，ｅｍ／ｓ；ｔ为注浆所需　时间，ｓ；ｈ为注浆压力水头，ＭＰａ；ｒ为注浆孑Ｌ半　径，ｃｍ；　为浆液黏度与水的黏度之比值；ｎ为岩　石的孔隙率。　由于煤层岩性差别很大，浆液扩散往往是不规　则的，注浆扩散半径难以准确地计算。一般要求注　浆扩散半径在０．８～１．０ｍ以上。　２．５注浆孔布置　在注浆终孔断面上，不应留有注浆盲区，但注　浆孔也不能太密，这样会增加注浆钻孔施工量和注　浆量。合理的注浆孔布置应达到较好的注浆加固效　果和节省工程量。注浆孔布置应遵循以下原则：　（１）均匀布孔原则　注浆孔布设应尽量占满　作业空间，还应尽量做到均匀布置。　（２）梅花型布孔原则　注浆孔布置原则上应　采用梅花型布孔方式，不宜采用矩形布孔方式。　（３）两圈孔原则　超前注浆设计时，巷道开　挖轮廓线应布设２圈或２圈以上的注浆孔，以免形　成注浆“盲区”。　（４）方便施工原则　注浆孑Ｌ的设计必须满足　现场注浆的要求。　（５）节省注浆量原则　煤矿巷道加固性注浆　根据注浆压力和孔深不同，注浆孔间距一般在２～　３ｍ以内，为使两个注浆孔的渗透范围有一定交叉，　需取０．６５—０．７５的系数。　２．６注浆压力　注浆压力是浆液在围岩中扩散的动力，直接影　响注浆加固质量和效果。注浆压力太小，浆液在四　周围岩中的扩散半径不够，容易产生注浆盲区；注　浆压力太大，会引起劈裂注浆，注浆过程中容易出　现片帮冒顶等。目前还没有精准的方法计算注浆压　力，比较合理的方法是通过注浆现场试验确定，或　者用下列公式计算　：　Ｐ＝（２～２．５）Ｐ１　式中，Ｐ为最大允许注浆压力；Ｐ　为煤层静水压　力。　注浆压力也可根据表２选择，注马丽散时注浆　压力一般在０．４～０．７ＭＰａ。　表２注浆压力与围岩裂隙发育程度关系　２．７注浆速度　注浆速度主要取决于煤层的吸浆能力和注浆设　备的动力参数等，注马丽散时流量一般控制在７．０　～８．７Ｌ／ｍｉｎ。　２．８注浆量　由于煤岩的不均质性，围岩吸浆量差别较大，　注浆量不要根据注浆扩散半径、注浆时间来确定。　单孔注浆量采用充填注浆计算公式计算：　Ｑ＝，ｒｒＲ　Ｌｎａ　式中，Ｑ为注浆量；Ｒ为浆液扩散半径；Ｌ为注浆　７９　总第１１３期　煤　矿　开　采　２０１３年第４期　孔深；凡为煤岩体裂隙率，取０．６％；ｏｔ为煤岩体　空隙充填效率，取０．９。　则每孔注浆量计算值为９＝０．１７ｍ　。　２．９注浆时间　注浆时间与围岩裂隙发育情况、注浆压力、注　浆量有关。裂隙发育时注浆时间不宜过长；裂隙不　发育时，在提高注浆压力的同时也要适当延长注浆　时间。　３工程实例　３．１工程概况　某矿采煤工作面运输平巷沿煤层顶板掘进，为　复合顶板：直接顶厚度０．６ｍ，主要为灰黑色泥质　粉砂岩；基本顶厚度５．７５ｍ，为灰白色较坚硬的中　细砂岩。底板厚度４ｍ，为粉砂岩与泥岩互层。运　输平巷巷道高ｘ宽＝３．６ｍ￣５．５ｍ，煤厚２．１ｍ。预计　掘进区段有２条断层，断层落差０—５ｍ，倾角６５　～７０。。此外，受三维地震勘探精度所限，掘进区　段内可能还有其他０～３ｍ的隐伏小断层发育，断　层影响区及产状如图１所示。　图１　断层影响区及产状　在该断层破碎带施工主要有以下问题：　（１）该断层破碎带为２条斜交正断层构成的　断层组，与巷道夹角约５５。，贯穿整个工作面，在　运输平巷断层破碎带走向长度约６０ｍ。断层组影响　范围内巷道顶煤破碎，整体性较差，巷道维护极其　困难，容易发生冒顶片帮等安全事故。　（２）断层破碎带掘进要预防突水和瓦斯突出。　３．２预注浆加固方案　（１）注浆材料的选择经过比选，采用马丽　散作为注浆加固材料。其技术经济指标主要有：单　向抗压强度最大为６５．８ＭＰａ，单向抗拉强度能达到　４．１５ＭＰａ，延展率为３．８２％，黏聚力为１０．２ＭＰａ，　膨胀倍数１～２倍。　（２）注浆范围　根据工程实践经验，注浆锚　杆孑Ｌ设计深度２．５ｍ，注浆锚索孔设计深度７．５ｍ。　（３）注浆长度通过综合考虑工程地质情况、　预留注浆距离和掘进工艺等，确定每循环超前注浆　１．６ｍ，允许进尺０．８ｍ，预留０．８ｍ作为下一循环　的“保护帽”。　（４）注浆扩散半径　根据工程类比，本工程　８０　注浆扩散半径取为１　ｍ。　（５）注浆孔布置　考虑到各注浆孔浆液结实　有效地搭接，注浆孔布置如图２～图４所示。巷道　顶板布置５根超前注浆锚杆，注浆钻孔直径　４２ｍｍ，注浆锚杆直径２５ｒａｍ，长度２．５ｍ，间排距　１．３７５ｍ￣０．８ｍ，以仰角５３。向迎头上方施工，形成　注浆“保护帽”。滞后迎头每排注浆锚杆中间布置　一排注浆锚索，注浆钻孔直径４２ｍｍ，注浆锚索直　径２２ｍｍ，长度７．５ｍ，间排距２．２５ｍ￣１．６ｍ。锚索　布置形式为“３－３－３”。巷道两帮各布置３根注浆　锚杆，注浆钻孔直径４２ｍｍ，注浆锚杆直径２２ｍｍ，　长度２．５ｍ，间排距１．３ｍ￣Ｏ．８ｍ。　。　盎。．　注浆锚索　注浆锚杆　．一　胃　ｏ　ｏ　ｏ　ｏ　ｏ　ｏ　已掘巷ｉ　ｏ　ｏ　ｏ　ｏ　ｏ　ｏ　图２巷道注浆锚杆布置　图３巷道注浆锚杆布置Ａ－Ａ断面　图４巷道注浆锚杆布置Ｂ—Ｂ剖面　（６）注浆压力确定注浆终压０．７ＭＰａ。　（７）注浆速度拟定注浆速度取为８Ｌ／ｒａｉｎ。　（８）注浆量　实际注浆量利用灌浆自动记录　仪记录进行计算，施工中以达到设计注浆压力或孔　口返浆为止。　李木宣等：大断面煤巷过断层组超前预注浆加固应用研究　２０１３年第４期　４矿压观测　２０ｄ后受力达到稳定，锚杆最终载荷３９ｋＮ，锚索　最终载荷１４５ｋＮ，均达到了设计要求。　在断层破碎带段巷道布置矿压观测站，用锚杆　测力计观测锚杆（索）受力情况，“十字”布点法　观测巷道两帮和顶底板移近量。２ｄ观测１次，通　（２）巷道两帮和顶底板在巷道掘出约２０ｄ后　变形趋于稳定，两帮最终移近量为６７ｍｍ，顶底板　最终移近量为１０５ｍｍ，巷道围岩控制效果较好。　５结论　过一个多月的监测，锚杆锚索受力和巷道表面位移　观测结果如图５、图６所示。从图中可以得到以下　结论：　ｌ６０　超前预注马丽散后，注射的浆液在裂隙中膨　ｌ加　１２ｏ　：　ｊ｝Ｉｉ　６ｏ　４Ｏ　２Ｏ　０　胀、渗透，胶结了破碎煤岩体，提高了巷道围岩强　度，有效地控制了巷道顶板煤岩体的冒落和两帮的　收缩，避免了松软煤层过断层破碎带冒顶和片帮事　故，实现了大断面煤巷的安全掘进。　［参考文献］　［１］姚强岭，李波，任松杰，等．中空注浆锚索在高地应力松　软煤巷中的应用研究［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０１１，２８　图５　锚杆（索）受力　ｌ２ｏ　ｌ００　（２）：１９８—２０３．　［２］王永红，马栋，凌树云，等．海底透水通道发育带隧道施　工注浆技术研究［Ｊ］．岩土力学，２０１１，３２（１２）：３６６０—　３６６６．　螽　簿４０　２０　０　５　１０　１５　０　２５　３Ｏ　３５　［３］陈晓坡，刘建庄，浑宝炬，等．过断层巷道修复技术研究与　实践［Ｊ］．煤矿安全，２０１２，４３（１１）：７７－８０．　［４］张农，王保贵，郑西贵，等．千米深井软岩巷道二次支护　中的注浆加固效果分析［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１０，３８　（５）：３４—４６．　时间／ｄ　［５］战玉宝，宋晓辉，陈明辉．岩土注浆理论研究进展［Ｊ］．路　基工程，２０１０（２）：２０—２２．　图６巷道表面移近量　［６］陈久福，张玉明．过特大突出孔洞技术与实践［Ｊ］．煤矿安　（１）锚杆和锚索在安装后受力逐渐增大，在　（上接１２ｏ页）　全，２０１２，４３（８）：５０－５２．　［责任编辑：邹正立】　管理信息系统，该系统在铁峰公司上线以来完全替　人员隐患整改率的关联分析、与人员出勤情况的关　联分析。绩效考核信息系统功能架构如图３所示。　代了原有的手工作业方法，不仅实现了信息化考评　打分、查询及统计分析功能，同时实现了绩效考核　系统与其他系统的数据关联及测评结果的可视化展　示，提高了铁峰公司绩效考核工作的效率和科学　性，最大程度地满足了用户需求，具有一定的推广　价值。　［参考文献］　［１］于小娥，ＥＲＰ环境下的煤炭企业绩效考核思路［Ｊ］．煤炭经　图３　绩效考核系统功能结构　济研究，２０１０（６）：７５—７７．　５结论及展望　［２］刘存福，杨仁鹏，王舰．层次分析法在煤炭企业绩效工资　分配中的应用［Ｊ］．煤炭工程，２０１２（２）：１３７—１３９．　结合煤炭企业绩效考核的特点，将铁峰公司考　核对象划分为３类，以ＫＰＩ为理论指导构建了不同　类别考核对象的考核要素及考核表单，并运用　［３］王景波，刘立娟．基于平衡计分卡的煤炭企业绩效评价研究　［Ｊ］．价值工程，２０１１（１０）：１０７－１０９．　［４］丁畅，诸克军．煤矿企业绩效考核的战略管理［Ｊ］．理论　月刊，２０１１（５）：１６３—１６５．　ＡＨＰ法确定了各考核要素的权重，构建了科学合　理的绩效考核体系。运用信息技术研发了绩效考核　［５］曹慧芳．对国有煤炭企业绩效考核的探讨［Ｊ］．经济研究导　刊，２０１２（３２）：１９９—２００．　［责任编辑：李青］　８１