煤矿断层破碎带超前长孔预注浆加固技术及应用.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：基金项目：国家自然科学基金重点联合基金项目（）；湖北省重点研发计划项目（）作者简介：张瑞（），男，安徽凤台人，高级工程师，硕士，年毕业于淮南矿业学院采矿系通风专业，现从事煤矿技术管理工作。引用格式：张瑞，李翔，陈自由，等 煤矿断层破碎带超前长孔预注浆加固技术及应用 煤炭科技，（）：，（）：文章编号：（）煤矿断层破碎带超前长孔预注浆加固技术及应用张瑞，李翔，陈自由，栾波，杜多鹏，罗勇，李寅玉（淮南矿业（集团）有限责任公司 顾桥煤矿，安徽 淮南 ；平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南 ；中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 ）摘要：煤矿巷道穿越断层破碎带时，常发生顶板剧烈来压、强烈底鼓、帮部收敛等变形破坏，严重影响安全掘进及巷道正常使用。断层破碎带内的巷道围岩稳定性受构造应力、断层水、围岩强度与完整性等多种因素的影响。以淮南矿区顾桂井田 南翼轨道大巷穿越 断层破碎带为工程背景，在围岩力学特征测试、物化分析的基础上，结合类似地质条件下的相关工程经验，提出以超前长孔注浆预加固、型钢支架、锚杆、全长锚固注浆锚索为核心的成套技术体系，研究了高应力、围岩破碎软弱等不良地质条件下巷道围岩加固支护方法。关键词：超前长孔预注浆；巷道；支护体系；断层破碎带中图分类号：文献标志码：，（，（），；，；，）：，：；：淮南矿区位于华北板块南缘，其地层由南北向推挤，构成了两翼对冲推覆的区域构造格局。长期的构造运动使得淮南矿区普遍存在断层带，因而，巷道穿越断层破碎带的情况十分常见。而近年来，淮南矿区的开采深度在不断增加，加上地质异常断裂带内的岩层较破碎，自稳能力很差，而且高构造应力 年第 期张瑞，等：煤矿断层破碎带超前长孔预注浆加固技术及应用第 卷与地下水的作用对巷道围岩的稳定也构成严重威胁，使得断层带巷道经常性破坏和失修，严重影响安全生产。煤系地层断层带内地质条件复杂多变，岩体破碎软弱，常夹杂断层泥、并可能富集断层水或瓦斯，这些条件对于巷道稳定极为不利。因而，巷道穿越断层破碎带时大多需要采取特殊支护措施 。近年来，不少学者对断层破碎带的围岩稳定性及支护方法进行了研究。张敦喜等 提出巷道内平行钻孔递进式注浆和钻场内集中布孔注浆工艺，形成了工作面断层破碎带超前预注浆治理技术；高绪龙等 研究应用新型超前化学灌浆工艺技术，黏结加固断层周边围岩，提升巷道围岩的稳定性，经济安全效益显著；王来河等 研究了加密锚杆 架棚、锚网索带架等多种破碎围岩支护技术，使煤矿过断层的破碎顶板及两帮变形得到有效控制；孙闯等 采用收敛约束法研究了深部断层破碎带内竖井围岩的结构稳定性及其优化支护方法；郝明辉等 研究了水泥化学复合注浆方法在断层带内的补强加固效果；刘泉声等 针对煤矿破碎带巷道表现出强烈的非线性力学现象的特点，采用离散元计算软件 ，分析其变形破坏过程及非线性大变形机制；王克忠等 基于数值模拟和现场观测，提出在断层破碎带巷道的挂网喷射混凝土支护基础上增加钢筋拱肋柔性支护，取得不错应用效果；童仁剑等 采用地面定向孔进行断层破碎带注浆加固，使得治理模式从传统掘时被动待治理到掘前超前主动防治。超前注浆是开挖前在掌子面布置钻孔对前方数米至数十米范围内的岩体进行注浆加固，提前改善岩体状况，防止开挖后顶板冒落，并起到堵水的作用，利于巷道开挖后的稳定。一般可分为超前小导管注浆、地表预注浆、超前长孔注浆等。超前小导管注浆工艺在隧道、巷道开挖前或开挖过程中强隧道围岩稳定较大管棚施工，具有简单便捷，经济实用的特点。地表注浆是采用地表打钻孔的方式，通过注浆对岩体注浆预加固，加固范围大，但成本高，注浆压力不易控制，在煤矿巷道应用不多。超前长孔注浆是在迎头采用钻机造孔，对将开挖的岩体进行注浆加固，与小导管超前注浆相比加固范围大的特点 。结合淮南矿区顾桂井田 南翼轨道大巷过 断层破碎带超前长孔注浆工程实例，研究超前长孔注浆支护体系在煤矿断层破碎带中的应用，可为煤矿巷道穿越断层破碎带掘进支护技术提供一定参考。工程概况 围岩特征顾桂井田 南翼轨道大巷位于 煤顶板和 煤底板之间，处于南翼构造区，穿越 、断层组成的断层带（断层带），断层岩体受构造挤压影响，围岩较破碎，裂隙较发育。围岩主要包括砂质泥岩、泥岩和粉砂岩。巷道布置平面和地层剖面如图 所示。巷道设计断面均为直墙半圆拱形，净宽 、净高 。相关地质勘探资料显示，该巷道围岩为较完整软弱岩石，层间胶结差，易风化剥落及遇水易软化；结构面发育，以构造裂隙、卸荷风化裂隙为主，贯通性好，多数张开、夹泥，夹泥厚度一般大于结构面起伏高度，咬合力弱，构成较多不稳定块体。围岩力学特征采用 岩石力学试验机对该矿采集的砂质泥岩岩样进行了单轴和三轴压缩试验。所测岩样单轴抗压强度、弹性模量、变形模量及泊松比结果见表。此外，分别进行了 、围压条件下的三轴压缩试验，实验结果见表 、表 。由表 可得，近似拟合函数为 ，直线截距 ，斜率 。由式（）、式（）得到 、值：（）（）（）计算得出试件的黏聚力 ，内摩擦角 。岩样物化分析采用粉晶 射线衍射分析方法，对采自现场的砂质泥岩岩样进行了全岩矿物分析和粘土矿物定性与定量分析，结果表明，岩样矿物成分以石英、高岭石为主。射线衍射分析图谱及矿物成分含量见图和表 。化学分析利用紫外分光光度计从光源辐射出具有待测元素特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气中待测元素基态原子吸收，由辐射特征谱线光被减弱的程度来测定试样中待测元素的含量。化学分析结果见表 。年第 期煤炭科技第 卷图 断层破碎带及巷道剖面 表 砂质泥岩单轴压缩实验结果 试件编号单轴抗压强度 弹性模量 变形模量 泊松比 表 砂质泥岩三轴压缩力学测试结果 表 矿物成分含量 成分绿泥石伊利石高岭石石英长石含量 分析结果表明，黏土岩以 、为主，次 之，其 中 为 ，为 。泥质胶结沉积岩具有一定的亲水性，强度较低。天然状态泥质膨胀性软岩的黏土矿物种类以表 化学成分结果 成分 质量百分比 成分 烧失量质量百分比 图 砂质泥岩 射线衍射分析图谱 及含水情况是决定其遇水软化特性及膨胀潜势的重 年第 期张瑞，等：煤矿断层破碎带超前长孔预注浆加固技术及应用第 卷要因素。膨胀性软岩的天然含水量愈大，膨胀势愈小；反之则愈大。综合分析所测岩石试样为遇水易软化弱膨胀性岩石。因断层带经过多次构造挤压和剪切作用，围岩软弱破碎，赋存的残余构造应力较高。综合判断该破碎带内轨道巷道围岩为类围岩。相似地质条件下临近巷道存在剧烈顶板来压、强烈底鼓等大变形特征，极易发生冒顶片帮等灾害。围岩稳定性控制方法 支护加固思路该矿相似地质条件巷道出现的帮顶剧烈变形、严重底鼓破坏以及轨道巷迎头出现的山墙挤出开裂等高应力围岩特征，常规支护加固方法难以取得理想效果。故尝试采用钻机超前造孔对该断层带数十米范围内的破碎岩体进行超前长孔预注浆胶结加固，以保证巷道顺利掘进和后期的稳定。开挖每个循环进尺前均应采用超前锚杆配合架设 型棚护顶强化安全措施，保证工作面安全。巷道开挖后采用高强支护，提高围岩的抗剪刚度，限制围岩沿潜在破裂滑移面的剪切变形，提高围岩抵抗剪切破坏的能力。然后用高强高韧注浆材料适时加固损伤破裂区围岩，提高围岩的完整性和强度。高强预应力锚索使得近表范围内的高应力峰值向围岩深处转移，并将浅层增强固结区与深层稳定岩体联结成一体，扩大了围岩承载圈。超前长孔注浆布孔设计掘进面将揭露断层带时，迎头出现岩性极其破碎、全断面来压强烈、山墙向外挤出开裂等现象。为防止发生冒顶等问题，结合其他巷道过相似断层带的经验，决定迎头退后 位置设厚 的封闭墙，进行钻孔超前注浆加固。超前预注浆设计控制范围：巷道顶、帮深度约 ，巷道底板深度 ，巷道走向超过断层带。先在迎脸上打锚杆挂网，保护工作面安全。迎脸设 孔 排，上排 个孔，第 排 个孔。注浆孔终孔位置距主巷道顶板和两帮深度 、底板以下深度 （注浆孔布置如图 所示，钻孔参数见表 ）。超长注浆设计压力 ，注浆泵压力应达到设计压力的 倍。钻孔控制范围为断层面处巷道轮廓线外 ，底板下 。注浆孔下长 、套管进行封孔。注浆按照由近及远顺序进行，在上向孔固管图 超前长孔注浆钻孔布置 表 超前长孔注浆钻孔布置参数 孔号孔深 倾角（）方位角（）钻孔距底板高度 注：钻孔倾角为钻孔与巷道倾角的夹角，向上为正，向下为负；方位角为与巷道中心线的夹角，向右为正，向左为负。年第 期煤炭科技第 卷结束后等待注浆期间，对下向孔进行透孔。注浆采用 普通硅酸盐水泥，按照 水灰比注入，并加入水泥重量的 的工业盐和 的三乙醇胺加快水泥凝结时间。设计注浆压力 。后期掘进过程中，在二次注浆前采用钻孔窥视方法对超前预注浆效果进行检验，所测钻孔存在局部掉块现象，但总体成孔效果较好，如图 所示。图 钻孔窥视 预注浆后掘进支护方案与技术参数预注浆后围岩条件得到改善，掘进施工中加固支护工序为：掘进中在拱顶打超前锚杆（、长 ，间距 ，排距 个棚档 ）对掘进面前方数米范围内岩体进行临时支护，防止顶板冒落，必要时采用工字钢前探梁支护；开挖 个循环进尺，掘进工作面架 型钢支架（棚档 ）；紧跟打高强预应力锁棚锚杆（、长 ）；打预应力中空注浆锚索（、长 ，每断面布置 根，排距 ，每孔 卷 和 卷 型树脂药卷，张拉预紧力 ）；进行帮顶喷浆（喷射混凝土强度等级 ，水灰比为 ，质量配合比为水泥 黄沙 瓜子片 ，速凝剂掺入量为水泥重量的，喷层厚度为 ）；喷层形成强度之后进行浅孔注浆，注浆管注浆长 ，孔深 ，排距 ，每断面布置 根，水灰比 ，注浆压力 ，采用低压灌注形式，将 型棚壁后充填密实；注浆锚索深孔注浆（水灰比 ，注浆压力 ）；清理底板后进行底板加固，打底板注浆锚索（、长 ，棉纱水泥砂浆封孔 ，注浆压力 ），同时施作帮脚注浆锚杆，以加强底角抗剪切滑移能力，锚杆长 、排距 ，水泥砂浆封孔 。试验采用全长锚固注浆锚索（中空注浆锚索）为支护主体的围岩控制方案，如图 所示。其中，帮顶注浆锚索采用先预应力端锚后注浆全长锚固的施作方式，因底板锚索孔径较大，端锚药卷搅拌存在难度，所以底板锚索未采用端锚形式。图 注浆锚索位置示意 技术核心：超前长孔预注浆 型钢一次支护 高强预应力锁棚锚杆和全长锚固锚索二次支护 全断面二次注浆补强加固，超前长孔预注浆起到改善掘进地质条件保证安全施工的作用；掘进过程中仍需进行二次超前支护，在拱部采用超前锚杆对迎头前方数米范围内岩体进行临时支护，防止顶板冒落。超前锚杆 型钢的一次支护起临时支护的作用；高强预应力锁棚锚杆和预应力锚索的二次支护 全断面注浆补强加固起长期支护的作用，二次支护帮助恢复和改善围岩的应力状态并增强围岩，全断面注浆补强加固使得围岩固结和修复损伤，同时实现锚索全长锚固，提高支承效果，解决巷道围岩的长期稳定问题。另外，喷浆可使混凝土与 型钢架形成衬砌作用，并对注浆锚索起到封孔作用，防止注浆时漏浆。监控量测沿巷道布置了表面位移测站，对围岩的顶底板及两帮的变形情况进行监控量测，监测累计变形量及变形速率如图 所示。结果表明，个多月内顶板沉降量、两帮收敛量、底鼓量分别为 、，变形主要集中于开挖后的前 ，之后变形速率逐渐降低至 以下，围岩逐渐趋于稳定。与类似地质条件下的过该断层的巷道相比，支护效果理想。年第 期张瑞，等：煤矿断层破碎带超前长孔预注浆加固技术及应用第 卷图 表面位移测站监测结果 讨论淮南矿区不少矿井巷道穿越断层破碎带时会出现全断面来压剧烈、大变形等情况。在断层破碎带内的高构造应力、围岩破碎软弱、富集地下水等不良地质条件严重影响巷道安全掘进与稳定性控制。随着开采深度的逐年增加，断层破碎带掘进支护更加困难，严重影响巷道正常掘进。对于地质条件相对简单的断层带，现场常通过常规过断层带措施进行掘进支护，做适当强化或采取局部补强措施。对于地质条件差的断层破碎带，需采取特殊的安全生产措施。超前预注浆加固可对破碎围岩起到预加固的作用，保障开挖掘进安全，并起到封闭断层水渗流通道的作用，利于后期巷道稳定。不同超前注浆方法都有一定的适用范围。相比超前小导管注浆而言，超前长孔预注浆需采用钻机造孔，工期较长，但相对加固范围大，注浆压力更高，对断层带内破碎岩体的预加固效果更好。近年来，随着淮南矿区采深的增加，断层带地质条件更为复杂，各矿井在摸索经济高效的过断层掘进支护措施，顾桂井田 南翼轨道大巷过 断层破碎带就是一次重要尝试，巷道超前长孔注浆及后期支护措施的相关经验已引入淮南矿区丁集矿等矿井过断层带的巷道中推广应用。结论（）针对顾桂井田南翼轨道大巷掘进工作面即将揭露 断层带时掘进面出现岩性极其破碎、全断面来压强烈、山墙向外挤出开裂等现象，提出了超前长孔注浆方案，以防止发生冒顶等安全问题，同时采用提出的掘进中超前护顶锚杆及 型钢支架一次支护 高强预应力锁棚锚杆和全长锚固锚索二次支护 全断面二次注浆补强加固的支护方法。其中超前锚杆 型钢一次支护起临时支护的作用；高强预应力锁棚锚杆和预应力注浆锚索二次支护 全断面注浆补强加固起永久支护的作用；喷浆使混凝土与 型钢架形成衬砌作用；高强预应力锁棚锚杆和预应力锚索的联合使用帮助恢复和改善围岩应力状态并且增强围岩；全断面注浆实现围岩固结和损伤修复，实现锚索全长锚固，提高支承效果。（）现场矿压监测结果表明，超前长孔预注浆加固与掘进支护措施在 断层带取得了较好的效果，对煤矿高应力断层破碎带的安全掘进与围岩稳定性控制方面的研究具有一定的工程参考价值。参考文献（）：刘泉声，康永水，白运强 顾桥煤矿深井岩巷破碎软弱围岩支护方法探索 岩土力学，（）：，（）：，（）：冯朝朝 断层对巷道围岩应力状态影响数值模拟研究 煤炭科技，（）：，（）：康永水，耿志，刘泉声，等 我国软岩大变形灾害控制技术与方法研究进展 岩土力学 ，（）：，（）：张鑫 灵北煤矿 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