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摘要：花山煤矿4238综采工作面受到断层影响，煤岩体破碎、煤壁片帮，给回采的顺利进行造成严重影响。针对严重断层破碎带顶板，采取掘送注浆通道及超前注浆加固的方式，并使用天固加固材料浆液。结果表明，回采前方破碎煤岩体强度和抗变形能力得到了有效提高，避免了煤壁片帮，控制了顶板冒落，保证了施工安全和综采面顺利通过断层，现场应用取得了很好效果。对于类似条件下，这种加固方法的使用，具有一定参考意义。
关键词：综采工作面；断层；注漿通道；超前注浆加固
中图分类号：TD 327.2 文献标识码：A
我国煤矿地质条件不尽相同，但地质构造几乎在所有矿井都有赋存。随着近年来开采速度的剧增，恶化的地质条件日益显现、破碎煤体增多，造成矿井开采工作面支护与围岩稳定性控制难度加大，煤岩体大范围破碎，回采时片帮和冒顶严重。目前控制顶板冒落的主要方法有提高支架初撑力、减少空顶区域、超前支护等等， 这些方法对预防工作面冒落起到一定的作用，但遇到断层破碎范围影响较大时，则效果不是太明显。地质构造作用使得围岩更加破碎，一般的处理方式难以达控制围岩稳定的要求。本文针对回采工作面过断层的工程实际，采用掘送注浆通道和天固加固材料浆液超前预注浆加固技术，有效的解决了类似地质条件下的综采工作面安全通过断层的问题。
1 注浆加固机理
注浆加固材料种类多，常用的有漏必堵、马丽散等。其作用机理基本相同，即催化剂和树脂材料按照一定的比例混合，通过高压泵的压力，沿着注浆孔在煤岩体破碎区域的裂隙中扩散反应，并形成能够胶结破碎煤岩体的生成物，通过生成物间的相互作用使得松散煤岩体形成一个完整的支撑体，从而加固煤壁和控制顶板冒落。
2 注浆加固材料
注浆材料主要是能强有力的粘结破碎煤岩体，加固围岩，有效提高围岩强度。天固加固材料是一种新型的聚脲酸脂材料，其原材料按1：1比例混合注入破碎煤岩体，随后迅速反应并凝固，生成高分子材料。此高分子材料具有高韧性和高强度性能，可以起到封堵和加固破碎煤岩体的效果。该材料还具有阻燃性能极好，且不与水反应。其高度粘合力和良好的机械性能，能保证其与岩层产生高度粘合力；并且具有强抗渗透性能、抗磨、抗冲击性能和抗老化性能等等，可以长久稳固煤岩体。
3 煤壁前方预注浆加固工艺和参数
3.1 注浆加固设备
ZBQS-10/10型气动注浆泵、注浆枪、高压胶管、天固加固材料、封孔器、注浆铁管、短接头、机油、空桶、黄泥。
3.2 注浆加固工艺
注浆过程包括钻孔、插入注浆管和注浆封孔器、注浆三个环节。开始注浆时，设备的注浆压力使注浆封孔器的胶囊膨胀。当注浆压力超过一定值时，注浆封孔器前端铝片被压破，开始注浆。当浆液填满钻孔后，由于注浆设备的压力（最高可达50MPa），浆液被压入煤岩层裂隙中。压入裂隙后，天固加固材料迅速固化，由于该材料具有极强的粘附能力，可迅速将破碎煤岩体完全粘结成具有承载能力的整体。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。
3.3 注浆加固参数
（1）注浆扩散半径 主要与注浆压力、浆液黏度、注浆时间、裂隙产状、注浆方法等等有关，一般情况下注入的浆液扩散是不均匀的，因此只能大概描述。注浆浆液的扩散半径可由下式计算得到[1]：
（1）
式中，R为浆液的扩散半径，cm；
pc为注浆孔内的压力，MPa；
p0为裂缝内地下水压力，MPa；
T为注浆时间，s；
b为裂缝宽度；
rc为注浆孔半径，cm；
μ为注浆黏度，MPa·s；
（2）注浆孔布置 选取工作面贴近断层的区域，用气动煤钻沿煤层倾角方向钻孔，孔深4-6米，间距3-4米。
（3）注浆压力
注浆压力是浆液在裂缝中的流动动力，直接影响注浆加固质量。注浆压力太小，浆液在四周围煤岩体中的扩散区域不够充分，容易产生注浆盲区；注浆压力太大，会引起压裂注浆，注浆过程中容易出现破碎煤岩体产生片帮和冒顶等。注浆压力采用下述公式计算[2-3]：
（2）
式中，P为最大允许注浆压力值；P1为煤层静水压力。
（4）注浆用量
由于煤岩体的不均质性，围岩吸收浆液的量差别较大，原则上注浆时，一直注到不吃浆为止。注浆用量受到多个因素影响。每个孔的注浆用量采用下式计算[1]：
（3）
式中，A为浆液消耗系数；L为孔长度方向加固区长度，m；η为岩石的裂隙率；β为浆液的充填系数。
3 综采面注浆加固工程实例
3.1 矿井概况
4238工作面位于+1030m水平四采区。下起标高+1056m运输巷，上止标高+1139m回风巷；走向长646m，倾斜长120m。所采煤层为23号煤层，煤层基本顶为中粒砂岩，直接顶为粉砂岩与泥质粉砂岩互层，厚度为9.50m。该煤层属于复杂结构较稳定的煤层。由四个煤层和三个夹矸组成，煤层厚度由上至下分别为：0.32m、0.60m、0.54m、1.77m；夹矸岩性为泥质粉岩，厚度由下到上分别为：0.47m、0.28m、0.22m。煤层总厚度为3.24m，煤（岩）层总厚度为4.21m。根据现场实际，4238工作面首先遇到F1断层，对回采影响较大，其落差为H=1.4～3.1m。该断层的走向49°，倾向319°，倾角58°，属于正断层。F1断层影响范围走向在160m～320m之间，走向长度共计160m。断层影响区域及产状如下图所示。 3.2注浆加固方案
4238注浆通道的中线在距运输巷口255m处，距离回采工作面16m。按地测科技术人员给定倾角40°及拉门中心位置沿煤层顶板掘送15米后，再按49度倾角、中心线不变掘送至斷层上盘断层面。运输巷拉门高度控制在2.5m，宽度2.0m，施工5m后，通道宽度为2.0m，高度为1.6～1.8m。顶板的支护采用一梁二柱方式。注浆通道平面图和注浆通道剖面图如下图所示。
经过对比，采用天固加固材料。材料的抗压强度大于60MPa，抗拉强度大于20MPa，粘结强度大于3MPa，膨胀倍数大于1倍。根据工程实践经验和现场实际，注浆锚杆孔设计深度为2m，注浆锚索孔深度为6m。仰角为30-45°。孔的最终布置方式可根据现场注浆情况和浆液扩散情况作出实时适当的调整。封孔器放置位置，顶眼放在距孔口2 m处。沿断层破碎带设置6m的注浆孔。通道两煤壁可水平打孔，孔径38 mm，孔深6 m，沿倾斜方向每间隔3m距顶板1.2m布置2个眼孔。帮眼放在距孔口4 m处。
4 效果分析
经现场鉴定，4238工作面通过掘送注浆通道，采用天固加固材料超前预注浆后， 破碎的围岩体很好的胶结在一起，顶板整体性完好，无冒落现象，预防了冒顶事故，围岩稳定性得到控制。同时，使工作环境得打改善，增加了4238综采工作面的安全性；工作面上方顶板平整， 注浆加固的工程质量得到了改善；生产秩序也相应的得到改善， 工人的生产积极性得到提高。该综采工作面顺利安全的通过了断层，取得了很好的技术经济效益。
5 结 语
（1）综采工作面过断层破碎带，采用超前预注浆天固加固材料，达到预期效果；这种材料满足了破碎煤岩体加固所需的要求。
（2）综采工作面采用的这种过断层掘送注浆通道及注浆加固方式是可行的，有效的。
（3）花山煤矿4238综采面的开采实践表明，采用掘送注浆通道及注浆加固方式解决了综采工作面过断层破碎带顶板冒落的问题，具有类似条件的推广意义。
参考文献：
[1]刘嘉材.化学灌浆[M].北京：水利电力出版社， 1988.
[2]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
[3]陈久福，张玉明.过特大突出孔洞技术与实践[J].煤矿安全，2012，43 （8）：50-52.
[4]曹胜根，刘长友.采场破碎顶板注浆加固机理[J].中国矿业大学学报，1998，27（3）：288～290.
[5]周华强，侯朝炯，易宏伟等.国内外高水巷旁充填技术的 研究与应用[J].矿山压力与顶板管理，1991（4）：2～6.
关键词：综采工作面；断层；注漿通道；超前注浆加固
中图分类号：TD 327.2 文献标识码：A
我国煤矿地质条件不尽相同，但地质构造几乎在所有矿井都有赋存。随着近年来开采速度的剧增，恶化的地质条件日益显现、破碎煤体增多，造成矿井开采工作面支护与围岩稳定性控制难度加大，煤岩体大范围破碎，回采时片帮和冒顶严重。目前控制顶板冒落的主要方法有提高支架初撑力、减少空顶区域、超前支护等等， 这些方法对预防工作面冒落起到一定的作用，但遇到断层破碎范围影响较大时，则效果不是太明显。地质构造作用使得围岩更加破碎，一般的处理方式难以达控制围岩稳定的要求。本文针对回采工作面过断层的工程实际，采用掘送注浆通道和天固加固材料浆液超前预注浆加固技术，有效的解决了类似地质条件下的综采工作面安全通过断层的问题。
1 注浆加固机理
注浆加固材料种类多，常用的有漏必堵、马丽散等。其作用机理基本相同，即催化剂和树脂材料按照一定的比例混合，通过高压泵的压力，沿着注浆孔在煤岩体破碎区域的裂隙中扩散反应，并形成能够胶结破碎煤岩体的生成物，通过生成物间的相互作用使得松散煤岩体形成一个完整的支撑体，从而加固煤壁和控制顶板冒落。
2 注浆加固材料
注浆材料主要是能强有力的粘结破碎煤岩体，加固围岩，有效提高围岩强度。天固加固材料是一种新型的聚脲酸脂材料，其原材料按1：1比例混合注入破碎煤岩体，随后迅速反应并凝固，生成高分子材料。此高分子材料具有高韧性和高强度性能，可以起到封堵和加固破碎煤岩体的效果。该材料还具有阻燃性能极好，且不与水反应。其高度粘合力和良好的机械性能，能保证其与岩层产生高度粘合力；并且具有强抗渗透性能、抗磨、抗冲击性能和抗老化性能等等，可以长久稳固煤岩体。
3 煤壁前方预注浆加固工艺和参数
3.1 注浆加固设备
ZBQS-10/10型气动注浆泵、注浆枪、高压胶管、天固加固材料、封孔器、注浆铁管、短接头、机油、空桶、黄泥。
3.2 注浆加固工艺
注浆过程包括钻孔、插入注浆管和注浆封孔器、注浆三个环节。开始注浆时，设备的注浆压力使注浆封孔器的胶囊膨胀。当注浆压力超过一定值时，注浆封孔器前端铝片被压破，开始注浆。当浆液填满钻孔后，由于注浆设备的压力（最高可达50MPa），浆液被压入煤岩层裂隙中。压入裂隙后，天固加固材料迅速固化，由于该材料具有极强的粘附能力，可迅速将破碎煤岩体完全粘结成具有承载能力的整体。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。
3.3 注浆加固参数
（1）注浆扩散半径 主要与注浆压力、浆液黏度、注浆时间、裂隙产状、注浆方法等等有关，一般情况下注入的浆液扩散是不均匀的，因此只能大概描述。注浆浆液的扩散半径可由下式计算得到[1]：
式中，R为浆液的扩散半径，cm；
pc为注浆孔内的压力，MPa；
p0为裂缝内地下水压力，MPa；
T为注浆时间，s；
b为裂缝宽度；
rc为注浆孔半径，cm；
μ为注浆黏度，MPa·s；
（2）注浆孔布置 选取工作面贴近断层的区域，用气动煤钻沿煤层倾角方向钻孔，孔深4-6米，间距3-4米。
（3）注浆压力
注浆压力是浆液在裂缝中的流动动力，直接影响注浆加固质量。注浆压力太小，浆液在四周围煤岩体中的扩散区域不够充分，容易产生注浆盲区；注浆压力太大，会引起压裂注浆，注浆过程中容易出现破碎煤岩体产生片帮和冒顶等。注浆压力采用下述公式计算[2-3]：
式中，P为最大允许注浆压力值；P1为煤层静水压力。
（4）注浆用量
由于煤岩体的不均质性，围岩吸收浆液的量差别较大，原则上注浆时，一直注到不吃浆为止。注浆用量受到多个因素影响。每个孔的注浆用量采用下式计算[1]：
式中，A为浆液消耗系数；L为孔长度方向加固区长度，m；η为岩石的裂隙率；β为浆液的充填系数。
3 综采面注浆加固工程实例
3.1 矿井概况
4238工作面位于+1030m水平四采区。下起标高+1056m运输巷，上止标高+1139m回风巷；走向长646m，倾斜长120m。所采煤层为23号煤层，煤层基本顶为中粒砂岩，直接顶为粉砂岩与泥质粉砂岩互层，厚度为9.50m。该煤层属于复杂结构较稳定的煤层。由四个煤层和三个夹矸组成，煤层厚度由上至下分别为：0.32m、0.60m、0.54m、1.77m；夹矸岩性为泥质粉岩，厚度由下到上分别为：0.47m、0.28m、0.22m。煤层总厚度为3.24m，煤（岩）层总厚度为4.21m。根据现场实际，4238工作面首先遇到F1断层，对回采影响较大，其落差为H=1.4～3.1m。该断层的走向49°，倾向319°，倾角58°，属于正断层。F1断层影响范围走向在160m～320m之间，走向长度共计160m。断层影响区域及产状如下图所示。 3.2注浆加固方案
4238注浆通道的中线在距运输巷口255m处，距离回采工作面16m。按地测科技术人员给定倾角40°及拉门中心位置沿煤层顶板掘送15米后，再按49度倾角、中心线不变掘送至斷层上盘断层面。运输巷拉门高度控制在2.5m，宽度2.0m，施工5m后，通道宽度为2.0m，高度为1.6～1.8m。顶板的支护采用一梁二柱方式。注浆通道平面图和注浆通道剖面图如下图所示。
经过对比，采用天固加固材料。材料的抗压强度大于60MPa，抗拉强度大于20MPa，粘结强度大于3MPa，膨胀倍数大于1倍。根据工程实践经验和现场实际，注浆锚杆孔设计深度为2m，注浆锚索孔深度为6m。仰角为30-45°。孔的最终布置方式可根据现场注浆情况和浆液扩散情况作出实时适当的调整。封孔器放置位置，顶眼放在距孔口2 m处。沿断层破碎带设置6m的注浆孔。通道两煤壁可水平打孔，孔径38 mm，孔深6 m，沿倾斜方向每间隔3m距顶板1.2m布置2个眼孔。帮眼放在距孔口4 m处。
4 效果分析
经现场鉴定，4238工作面通过掘送注浆通道，采用天固加固材料超前预注浆后， 破碎的围岩体很好的胶结在一起，顶板整体性完好，无冒落现象，预防了冒顶事故，围岩稳定性得到控制。同时，使工作环境得打改善，增加了4238综采工作面的安全性；工作面上方顶板平整， 注浆加固的工程质量得到了改善；生产秩序也相应的得到改善， 工人的生产积极性得到提高。该综采工作面顺利安全的通过了断层，取得了很好的技术经济效益。
5 结 语
（1）综采工作面过断层破碎带，采用超前预注浆天固加固材料，达到预期效果；这种材料满足了破碎煤岩体加固所需的要求。
（2）综采工作面采用的这种过断层掘送注浆通道及注浆加固方式是可行的，有效的。
（3）花山煤矿4238综采面的开采实践表明，采用掘送注浆通道及注浆加固方式解决了综采工作面过断层破碎带顶板冒落的问题，具有类似条件的推广意义。
参考文献：
[1]刘嘉材.化学灌浆[M].北京：水利电力出版社， 1988.
[2]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
[3]陈久福，张玉明.过特大突出孔洞技术与实践[J].煤矿安全，2012，43 （8）：50-52.
[4]曹胜根，刘长友.采场破碎顶板注浆加固机理[J].中国矿业大学学报，1998，27（3）：288～290.
[5]周华强，侯朝炯，易宏伟等.国内外高水巷旁充填技术的 研究与应用[J].矿山压力与顶板管理，1991（4）：2～6.