煤层破碎顶板加固注浆调查报告

煤层破碎顶板注浆加固调查报告根据2014年3月27日早调会精神，在公司总经理的亲切关怀和总工程师的直接领导下，由公司地测防治水部，生产技术部以及两矿生产技术科相关人员组成的煤层破碎顶板注浆加固调研组,于2014年6月5日启程，前往中煤水文地质局（邯郸市）、冀中能源峰峰集团（邯郸市峰峰矿区）、太原煤炭设计院（太原市）、山西省煤炭地质水文勘查研究院（太原市）、同煤集团（大同市）、中煤东坡煤矿（朔州市）等单位进行了为期十天的调研工作。

一、调研背景2014年1月21日，磁窑沟煤矿10-2号煤层10103综采工作面揭露一条与工作面斜交的正断层，落差2.5米；工作面煤层顶板为泥岩和砂质泥岩，底板为炭质泥岩。

2014年2月2日，综采工作面揭露的断层落差增大，煤壁出现4.3m炭质泥岩，断层断裂面两侧煤层顶板破碎，导致工作面局部漏顶严重。

随后在10103综采工作面采取了马丽散注浆加固破碎顶板的措施。

据了解马丽散裂隙充填效果好，粘结强度大，是固结破碎顶板的有效手段，但成本较高。

为了降低成本，在综采工作面圈出后，对综采工作面破碎顶板采取预注水泥浆加固技术是否可行。

二、调研目的通过对综采工作面煤层破碎顶板注浆（水泥浆）加固技术理论和施工经验的调研，进一步对该技术在公司所属煤矿应用的可行性和可靠性进行分析；详细了解综采工作面破碎顶板注浆（水泥浆）加固工艺的设计、流程、标准和安全措施，明确该工艺应用的设备、材料和人员配备，并与现行马丽散注浆加固技术对比，进行经济效益分析。

三、注浆技术简述注浆技术是将一种或几种材料配制成浆液，用压送设备将其压入松软地层、裂隙性含水层或破碎地层中凝固胶结，起堵水或加固作用的技术。

注浆技术自1802年法国首次应用至今已有200多年历史，主要应用于矿山、建筑、水电、水力和交通运输工程等，包括堵水、截流、帷幕和岩土加固等诸多技术，很好地解决了各类工程中出现的水患、松软岩石及基础工程加固等难题，对保障安全施工，加快工程进度，降低工程造价等起到了重要作用。

我国煤炭行业在上世纪50年代开始应用注浆技术，主要应用于复杂水文地质条件下井筒、巷道、水仓、变电所、水泵房等地下工程的注浆堵水和加固；20世纪90年代，我国已开发出将采煤工作面下伏含水层改造为隔水层的工艺系统和方法，把注浆技术广泛用于煤矿治理水害和充填加固岩层；采用注浆技术加固顶板，避免了许多因松散顶板冒落或破碎顶板漏顶造成的顶板事故，取得了可喜的技术和经济效果。

从20世纪90年代至2009年，煤炭行业在立井地面预注浆、工作面预注浆、井壁注浆和井巷工程注浆等方面取得了长足发展，总结完善了过流砂层、过断层、充填、高喷、管棚、锚注、压密、劈裂、煤壁加固、堵大水等注浆工艺。

随着注浆工艺、材料和设备等不断更新，注浆施工组织设计、工程成本核算、施工监察与管理等逐渐趋于成熟，注浆工程已经发展成为一套较为完整的系统工程。

注浆法没有严格的分类，按照含水层或破碎带揭露前后分为预注浆和后注浆，按注浆采用的材料分为水泥浆液注浆、黏土浆液注浆和化学浆液注浆，按浆液注入工艺分为单液注浆和双液注浆，按注浆工程地质条件分为充填注浆、裂隙注浆、渗透注浆、挤压注浆、置换注浆和高压喷射注浆等，按注浆目的把注浆工艺分为堵水注浆和加固注浆。

本次调研的注浆法为煤层破碎顶板加固注浆。

自改革开放以来，注浆材料不断推陈出新，浆液在黏度、流动性、稳定性、凝胶时间、结石率、结石强度、无毒、非易燃易爆、无腐蚀性、配制简单化等方面不断改进，日趋成熟。

注浆材料分为颗粒性浆液和无颗粒性浆液两大类，颗粒性浆液包括水泥浆、黏土浆、黏土水泥浆、水泥粉煤灰浆、水泥水玻璃浆等，无颗粒性浆液包括水玻璃类、环氧树脂类（罗克休-环氧树脂加催化剂）、甲基丙烯酸酯类、聚氨酯类（马丽散-聚亚胶酯）、丙烯酸盐类、丙烯酰胺类、木质素类、脲醛树脂类等（表1）。

马丽散是一种类似聚氨酯的新型高分子双液化学注浆材料，具有黏度低、流动性好、可注性强、凝胶时间可控、无腐蚀性、结石率高等特点（表2），浆液固化时无收缩现象，遇水发泡膨胀，固化后能牢固地与岩石和混凝土接合，并能长期耐酸、碱、盐、生物菌等腐蚀，广泛应用于各种堵水和加固注浆工艺中。

注浆用的水泥多为普通水泥或矿渣水泥，具有价格低、来源广、无毒环保、结石强度高、抗渗性好、工艺简单、操作方便等特点（表3），是防渗、加固和裂隙堵水应用较多的注浆材料。

水泥细度对水泥性能有较大影响，其颗粒越细，比表面积越大，水化学反映速度越快，强度越高，近年来细水泥、超细水泥的应用为单液水泥注浆开辟了更为广阔的天地。

四、煤层破碎顶板加固目前，我国的煤层破碎顶板注浆加固技术主要分为煤矿井下巷道围岩注浆加固和采煤工作面顶板注浆加固两类。

巷道围岩加固注浆是在巷道掘进开挖之前对巷道围岩松软破碎区段采取打超前钻孔预注浆进行围岩加固，以及在巷道、井筒、水泵房、变电所等地下工程掘砌后采用注浆锚杆加固围岩的后注浆法，该注浆法多用水泥浆单液静压注浆。

采煤工作面顶板注浆加固是在采煤工作面过断层、构造带等顶板破碎区时，采取直接对煤层顶板注浆加固的注浆法；采煤工作面顶板预注浆加固是在采煤工作面过断层、构造带之前，预先对破碎顶板进行注浆加固；该注浆法的主要目的是加固煤层顶板，提高顶板的整体稳定性并形成完整的承载结构。

（一）巷道围岩注浆加固巷道注浆流程包括止浆墙设计施工、注浆方式选择、注浆孔布置、注浆孔施工、注浆施工、注浆效果检查与评价等。

巷道围岩注浆加固一般选择预留止浆煤（岩）柱方式；采用放射状或扇形孔布置；注浆施工包括注浆站设置、注浆工序、注浆参数（压力、注入量、扩散半径和孔数等）确定、扫孔和复注等；注浆加固效果检查和评价包括加固效果检查（钻孔和巷道开挖）、加固效果评价（钻孔和开挖后岩层）两项。

本次调研中，山西中煤东坡煤业有限公司9号煤层93胶运大巷在掘进至断层破碎带前，进行了巷道围岩注浆加固，效果显著。

1、工程概况山西中煤东坡煤业有限公司井田面积 4.6km2，核定生产能力210吨/年，开采石炭系上统太原组4-1、9号煤层，采用斜井分水平联合开拓方式。

2013年5月，在4-1号煤层三采区43胶运巷掘进施工中遇到一条与巷道斜交落差20米的逆断层，顶板破碎严重，并在顶板破碎带采取双11#工字钢棚补强支护后继续向前掘进。

掘进工作面底板标高1054.6m，煤层直接顶为粗砂岩，厚度7-8m，伪顶为泥岩，厚度0.5m，支护形式为锚网支护，20天后双工字钢棚顶梁严重弯曲下沉。

2013年9月，在43胶运巷下方的9号煤层三采区93胶运巷，掘进施工至该断层前35m时，采用巷道围岩注浆加固技术对掘进工作面前方断层破碎带进行预注水泥浆加固。

2、4-1号煤层43胶运巷工字钢棚变形原因4-1号煤层43胶运巷煤层顶板为0.5m厚泥岩伪顶和7-8m粗砂岩直接顶，底板为泥岩-细砂岩，泥岩中混有高岭土及少量蒙伊混合物，这些黏土矿物遇水软化、泥化、膨胀；破碎带断层为落差20m的张扭性逆断层，可将煤系地层中的砂岩裂隙水导入断裂带中，煤层泥岩伪顶中含有膨胀性黏土矿物产生的膨胀力是工字钢棚剧烈变形的重要原因，泥岩遇水软化、泥化引起流变和重力变化又加剧了顶板失稳。

3、9号煤层93胶运巷破碎顶板注浆加固9号煤层93胶运巷掘进工作面直接顶为细砂岩，厚度3-4m，伪顶为泥岩，厚度0.45m，底板为泥岩-细砂岩互层，厚度5-6m，底板标高994.4m，9号煤与4-1号煤层间距为60.2m，支护形式为锚网支护。

通过对各种注浆方案对比分析，选择水泥浆单液静压预注浆技术对破碎顶板进行加固。

1）注浆材料：选用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比3:1，三天可达设计强度的70%，一个月后强度可提高15%～40%；注浆终孔压力为2.5MPa，扩散半径6-8m；设计注浆量为3吨水泥，每个钻孔要反复注浆，直至反水出现水泥或压力不再增加。

2）注浆设备：选用2TGZ-2型注浆泵，配套248L搅拌桶；选用ZLZ-400型钻机，开孔孔径φ133mm，打钻孔径φ131mm，注浆孔径φ55mm；配套φ89mm无缝钢管套管，高压法兰、高压球形阀门、快速接头（连接高压管）。

3）注浆设计：根据9号煤层的力学性质和裂隙发育情况、最大注浆压力、巷道断面大小以及止浆材料强度等，预留30m止浆煤柱（图1），在使用前打钻孔探测断层破碎带的准确距离和位置。

选择扇形注浆孔（图2）注浆，采用分段前进的注浆方式，分段长度（3-8m）根据冲洗液漏失量确定。

4）施工工序：表孔→钻孔→钻孔检查→安装注浆管及封孔部件→封孔→准备浆液→开泵注浆→凝固→检查注浆质量→验收，具体施工时应控制流量、注浆速度，通过风路阀门调节出浆量，控制出浆压力，防治浆液从煤壁外溢。

5）安全措施：注浆前认真检查注浆机具，保证注浆泵、搅拌机、混合器、孔口装置、管路及测试仪表的正常运转和使用可靠，要有备用注浆泵，备齐活塞、缸套、拉杆等易损件；注浆前先进行压水试验，试验压力应大于1.5倍的注浆终压，并保持15min不泄压，试验结束后，在不停泵的条件下开始注浆；在钻孔施工中如有卡钻现象，应先注高浓度浆，经检查合格后进行压水试验；注浆浆液浓度先稀后稠逐级加大，并坚持连续注浆，防治跑浆；严格控制注浆压力，在破碎岩层中注浆压力不能过高（小于4MPa）；停泵时及时关闭孔口阀门，防治倒浆；尽可能利用后期孔作为前期孔的检查孔，符合标准后即可向前掘进。

（二）采煤工作面顶板注浆加固采煤工作面顶板注浆加固技术主要用于采煤工作面顶板破碎、易漏顶或过断层构造带等。

在考虑经济效益和注浆可靠性前提下，多采取直接在煤层破碎顶板注浆加固技术，预注浆技术采用较少。

本次调研中，冀中能源峰峰集团云驾岭矿采用了回采工作面预注化学浆技术，取得了较好效果；冀中能源峰峰集团梧桐庄矿采用了预注水泥浆技术，因未验证其有效性和可靠性，无法评价注浆效果。

实例A：云驾岭矿综采工作面预注化学浆技术1、工程概况冀中能源峰峰集团云驾岭矿2号煤层12114综采工作面地质条件复杂，断层多，地压显现强烈。

该工作面煤层走向SN，向正东倾斜，倾角21°，平均煤厚3.6m，含0.1-0.3m的粉砂岩夹矸；煤层直接顶为灰黑色粉砂岩，厚3.5-15m，局部含0.5m厚泥质粉砂岩伪顶，底板为灰黑色粉砂岩夹薄层细砂岩，厚 2.0m。

根据相邻12112综采工作面地质资料，有F12、F42、F31、F22等断层穿越12112及12114两工作面，12112综采工作面推进至构造区域煤层及顶底板破碎、松散，局部漏顶严重。

12ll4综采工作面于2006年底准备完成，2007年初开始回采，2008年上半年，工作面推进到构造区，顶板破碎严重。

同年5月初开始对工作面副巷进行注浆，共完成工程量约480米，喷浆范围1l00m2，注浆加固范围14400m2；通过对综采工作面破碎顶板范围采用高水材料注浆加固，良好地固结了破碎顶板，保障了综采工作面的生产安全。