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

一、调研背景

2014年1月21日，山西省晋神能源有限公司磁窑沟煤矿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，进一步对该技术在晋神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。

2、注浆材料

根据煤岩层受断裂构造破坏的特征，采用中国矿大研制的新型高水材料，高水材料为双液化学浆，其固结体具有亲水性，固结体破裂后具有再胶结性能，以满足工作面破碎顶板注浆加固的要求。双液注浆系统包括注浆泵、搅拌桶、混合器、连接管路与阀门接头等。高压混浆管长度为5m，水灰比为4:1～5:1，该比例在施工中可根据顶板破碎情况适当调整。

3、工艺流程

工艺流程包括注浆前的运料、拌料、打眼、封孔及注浆系统检查；注浆过程中的注浆泵操作、浆体配制、堵漏、压力监控；注浆

结束后的管路与混合器清洗、泵站移动、注浆材料设备零部件清点与交接等。注浆工艺设备配置如图3所示。

4、注浆方案

在工作面副巷超前工作面位置至少20米进行注浆加固。首先，在原有锚网梁支护巷道内进行喷浆支护，尤其在副巷下帮侧要严格保证喷浆厚度及质量，设计喷浆厚度为100mm；其次，对工作面副巷下帮侧浅部注浆，注浆深度3-5m，注浆孔在工作面煤壁及副巷下帮侧各布置三排，排距0.8米，间距1.5m，五花布置；第三，采用75型钻机、JB1000型搅拌机对综采工作面内破碎顶板深部注浆，注浆孔深30m，沿副巷布置一排间距10m的注浆孔，注浆深度随着破碎顶板的分布范围而变化，依据注浆压力与钻孔返浆判断是否停止注浆。

5、安全措施

确保注浆材料的存放、配比及搅拌质量，采用效果良好的布袋封孔方法，保证煤体表层喷浆和浅部注浆质量；确保注浆孔布置的参数及终孔层位，使副巷下帮侧5-10m段煤岩层注浆能有效封堵漏

浆通道；确保深部终孔层位处在破碎顶板范围内；利用后期孔作为前期孔的检查孔，若打检验孔卡钻现象，利用检验孔进行再注浆。

实例B：梧桐庄煤矿综采工作面预注水泥浆技术

1、工程概况

冀中能源峰峰集团梧桐庄煤矿生产能力400万吨/年，井田面积39.6km2，地质条件复杂，地质构造以褶曲断层为主，陷落柱较多；矿井正常涌水量330m3/h，最大涌水量1050m3/h。2号煤层182402综采工作面于2010年底圈定，工作面走向长1200m，倾向长150m，顺槽断面面积13m2，平均煤厚3.0m，煤层顶板为粉砂岩或中细砂岩，易垮落破碎，底板为粉砂岩，F1断层（正断层，落差6-8m）自两顺槽贯穿工作面，工作面顺槽采用锚网索支护，顺槽揭露点顶底板破碎，地压显现较明显。为了确保182402综采工作面顺利推进，对该工作面断层破碎带采取了预注水泥浆技术。182402综采工作面过断层时，煤层顶板节理、裂隙发育，地压显现较弱；因注浆后没按要求取芯，虽未发生漏顶，却无法验证加固效果。

2、注浆工艺

选用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比3:1，选用BW320型注浆泵2台，选用全液压MKD－5S型350钻机2台，钻孔开孔直径φ110mm，下外径φ108mm，终孔（注浆孔）直径φ75mm；配套无缝钢管套管，高压法兰、高压球形阀门、快速接头和高压管。

3、注浆设计

分别以182402综采工作面回风顺槽和运输顺槽F1断层的两个

揭露点为中心，向顺槽两侧各延伸20m，在原有锚网索支护巷道内喷浆，喷浆厚度为100mm（有效封堵漏浆通道）；依据单孔扩散半径15-20m的原则，在两顺槽F1断层穿过段（100m）布置注浆孔（图4），每条顺槽布置两组注浆孔，共四组，注浆范围覆盖断层穿过部分；每组钻孔间距50m，孔口距煤层顶板2.2m，孔深6-80m，仰角5-45°，每组3个钻孔，共设计12个钻孔，进尺900m。注浆深度随着工作面破碎顶板的分布范围而变化，依据注浆压力与钻孔返浆判断是否停止注浆。

4、施工工序

钻孔→封孔→管路连接及试运转→备料→配料、搅拌→注浆→冲洗→下一个加固区钻孔（图5），每个钻孔注浆结束应进行注浆质量检查和验收，不合格的要复注。

5、成本核算

182402综采工作面预注水泥浆加固破碎顶板，施工巷道喷浆长度80m，面积1040m2，完成钻孔工程量990m，注浆加固范围24000m2，使用P.O42.5普通硅酸盐水泥29吨。按照井下钻孔（孔径φ108mm）进尺计价400元/m，人工、材料及设备折旧费（以注浆水泥使用量计价）约350元/吨，注浆费用由钻孔工程和注浆水泥使用量两项构成，计40.6万元（990m×400元/m＋29吨×350元/吨）；巷道喷浆单价800元/m（以断面面积13m2的延长米计价），喷浆费用为6.4万元（800元/m×80m）；本次182402综采工作面预注水泥浆加固破碎顶板费用共计47万元。

6、经济效益分析

根据梧桐庄煤矿2号煤层182402综采工作面破碎顶板预注水泥浆加固经验，结合磁窑沟煤矿10-2号煤层10103综采工作面破碎顶板（马丽散）注浆加固实际情况，应用类比法对两种注浆工艺进行经济效益分析，结果如下。

1）马丽散注浆加固

磁窑沟煤矿10-2号煤层10103综采工作面破碎顶板注浆加固，

是在综采工作面煤壁预先控制顶板后进行注浆孔施工，钻孔沿煤层顶板布置（图6），使用专用风钻打眼、专用封孔器封孔，孔口沿

煤层顶板布置，孔径42mm，间距3-6m，孔深3-5m，仰角30-45°，注浆深度1m；该注浆法使用专用注浆泵（图7），通过注浆泵的高压力使按比例混合后的化学浆注入破碎顶板，注浆压力2-5MPa。

磁窑沟煤矿10-2号煤层10103综采工作面注浆加固范围约80000m2，人工、设备折旧及材料费（以马丽散使用量计价）单价27000元/吨，本次注浆使用马丽散共计80吨，10103综采工作面马丽散注浆加固费用总计216万元（80吨×27000元/吨）。

2）预注水泥浆加固

依据磁窑沟煤矿10-2号煤层10103综采工作面的井巷工程特点

和断层影响情况，比照梧桐庄煤矿2号煤层182402综采工作面破碎顶板预注水泥浆加固工艺，对磁窑沟煤矿10-2号煤层10103综采工作面进行破碎顶板预注水泥浆加固成本核算，结果如下。

磁窑沟煤矿10-2号煤层10103综采工作面进行破碎顶板预注水泥浆加固施工，预计巷道喷浆长度100m（分别以两顺槽断层揭露点为中心，向两侧外延25m），喷浆厚度100mm；设计8组钻孔，每组3个孔（图8），预计完成钻孔工程量2400m，使用P.O42.5普通

硅酸盐水泥96吨。按照井下钻孔（孔径φ108mm）单位进尺计价400元/m，以及人工、材料及设备折旧费（以注浆水泥使用量计价）单价约350元/吨，注浆费用由钻孔进尺和水泥使用量两项组成，计99.36万元（2400m×400元/m＋96吨×350元/吨）；巷道喷浆单价1200元/m（胶顺、回顺断面面积为3.7m×5.4m、3.7m×5.2m，依据断面面积19-21m2的延长米计价），喷浆费用为12万元（1200元/m×100m）；预计本次预注水泥浆费用共计111.36万元。

磁窑沟煤矿10-2号煤层10103综采工作面马丽散注浆加固费用为216万元，预计采用预注水泥浆加固费用约为111.36万元，磁

窑沟煤矿10-2号煤层10103综采工作面煤层破碎顶板采用预注水泥浆加固可节约资金104.64万元。

五、结论与建议

（一）结论

本次调研结果表明，近年来，针对煤矿综采工作面破碎顶板加固这一课题，中煤水文地质局、山西省煤炭地质水文勘查研究院、太原煤炭设计院等科研设计单位着重于化学浆加固技术的研究与应用，冀中能源、同煤集团、中煤等所属各煤炭企业因注重生产计划的完成以及综采工作面顶板破碎程度的不确定，多采用化学浆加固技术；综采工作面破碎顶板预注水泥浆技术仅在冀中能源峰峰集团梧桐庄煤矿应用。通过成本分析，该项技术经济效益明显，但其可靠性未经验证。采取预注水泥浆技术进行巷道围岩加固在山西中煤东坡煤业有限公司得到有效应用，注浆加固效果显著，成本低、效益好，技术成熟，工艺安全可靠。

（二）建议

综采工作面破碎顶板预注水泥浆加固技术，理论完善，工艺成熟、安全可靠、经济有效，应用较少的根本原因在于综采工作面顶板破碎程度的不确定性。断层构造带对煤层顶板的破坏程度有多高、地压显现如何、横向纵向影响范围有多大、以及破碎带的节理裂隙发育情况等在被揭露前，利用目前的勘测手段都难以查明。

目前煤炭市场低迷，煤炭价格持续走低，煤炭生产企业面临巨大的成本压力，在一个相当长的时期内，降低煤炭生产成本势在必

行。所以，在今后的煤炭生产过程中要充分利用各种科技手段和地质资料（例如，一条断层同时贯穿相邻的两个回采工作面，后一个工作面可以依据前一个工作面对断层破碎带的揭露情况来选择注浆方法），尽可能地查明回采工作面内断层破碎带的各种特征参数，应用预注水泥浆加固技术。

巷道围岩预注水泥浆加固技术成熟，工艺简单，安全可靠，效果显著，成本低廉，可以作为一项成熟的技术储备。

2014年6月17日