基于注浆加固原理控制集中煤巷支护强度研究

马 冰，郭相平

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

基于注浆加固原理控制集中煤巷支护强度研究

马 冰，郭相平

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

煤矿集中巷道受力状态复杂，围岩整体完整性较差，注浆加固是提高围岩整体承载能力的方法，而集中巷道浅部和深部裂隙有很大差别，对其注浆加固需要低压注浆与高压渗透注浆共同作用才能更为有效地充填裂隙。通过注浆加固工程及配合相应强度的支护结构，不仅有效发挥注浆加固的效果，同时提高破碎巷道围岩的整体性和承载能力。通过对注浆原理的深入分析，提出了控制集中煤巷支护强度的有效方法，并应用于新元煤矿井下现场，取得了显著效果，经过长时间的表面位移监测，巷道变形趋于稳定，解决了集中煤巷持续变形的问题。

注浆加固；集中煤巷；裂隙；支护

对于围岩破碎巷道，由于锚固剂与破碎围岩的粘结力小，单独采用锚杆与锚索支护，锚固力难以保证，不能充分发挥锚杆与锚索的力学性能。在这种情况下，注浆加固是控制巷道围岩变形的一种行之有效的方法[1]。注浆可以改变一定加固范围内煤岩体峰后承载和变形特性，从而提高煤岩体物理和力学状态。注浆与锚固组成的共同结构能有效阻止围岩向深部塑性区扩展，使围岩共同承载，从而保证围岩支撑结构的长期稳定性[2-3]。刘泉声等对“三步”注浆浆液扩散机理进行探讨，“一步”低压注浆充填壁后散体状碎石充填层，堵塞浅部围岩泄压通道；“二步”注浆主要针对围岩中的裂隙网络进行注浆，通过浆液固化充填、胶结作用提高围岩的自承载能力；“三步”注浆为预留注浆，对成型巷道变形较大处进行补强加固，并将其应用于现场注浆工程[4]；郑卓等认为注浆过程中，煤岩体所经历的3个阶段(卸荷阶段，临界阶段以及重新加载阶段)在裂隙中存在于不同区域内，大多数情况下，第一阶段注浆孔进入加载阶段，浆液沿扩散方向不断前移，应变和局部变形引起的煤岩应力重分布与孔径相比很小，对于浆液流动影响很小，可忽略不计；进入临界阶段后，裂隙接触点的法向应力降低至零，因此裂隙结构面抗剪强度显著降低，如果裂隙结构面存在剪切荷载，会使结构面处荷载转移至其他部位，导致煤岩体发生破坏而失去稳定结构，这将取决于围岩边界条件[5]。注浆加固技术在破碎煤岩体裂隙内充填某种介质，盲目采用裂隙注浆法产生不了应有效果，原因在于：裂隙注浆中裂隙位置的预计、裂隙量大小的计算、裂隙发育的动态过程等理论尚未成熟，裂隙注浆技术的适用范围等需进一步研究。为此本文通过分析集中煤巷注浆支护特点，针对集中煤巷注浆加固原理以及影响因素分析，保证其支护强度，从而提高巷道围岩稳定性。

1 煤巷变形特点

目前新元煤矿开采3号煤，煤层埋深约550～600m，厚度2.7～3.10m，平均2.90m，倾角1～4°，平均3°，煤层坚固性系数为1.5左右，属软煤层。直接顶为2.79m的砂质泥岩，基本顶为中粒砂岩，厚度为2.35m。直接底板为0.7m的粉砂岩，老底为5.62m砂质泥岩。南区集中大巷均为煤层巷道，采用矩形断面，沿煤层顶板掘进，集中胶带巷宽5.24m，高3.52m。

巷道在掘出后就开始变形，掘出后3～5个月开始显现，巷道底鼓量达到2000mm以上，部分区域胶带横梁即将与铺设在巷道顶部的管路接触；集中胶带巷老底已经断裂，导致强烈底鼓，虽经过多次起底，目前巷道低处巷高也不足1500mm；两帮移近量平均1500～2000mm，集中胶带巷目前巷道变形严重处宽度不足3000mm，变形主要表现为两帮整体移近，巷道中部鼓肚。南区大巷布置示意如图1所示。

2 集中煤巷注浆加固支护方法

2.1 注浆加固原理

由于煤岩结构中存在着大量的微孔微裂纹及长度各异的割理面，微孔隙主要分3类：植物细胞残留孔、基质孔、次生孔；裂隙主要分为：外生裂隙、内生裂隙、继承裂隙，其中内生裂隙主要包括面割理和端割理[6]。煤层开采后上述大量的微孔微裂纹进一步衍生和发展，使煤岩体本身结构发生破坏，煤岩体破坏以张拉破坏为主，内部存在大量的贯穿裂隙。

图1 南区大巷布置示意

集中巷道不仅本身围岩完整性差，而且受力状态复杂，由巷道表面至围岩内部分布着大量裂隙。注浆加固是注浆液通过压力压入注浆孔隙和煤岩体本身结构裂隙，对煤岩体中孔隙和裂隙进行充填，使煤岩体内部破碎位置和裂隙发育处形成整体，从而提高煤岩整体承载能力和破坏强度[7-8]。承压注浆促进了破裂煤岩体的变形由脆性向延性转化，固结体的延性变形能够起到让压、释放能量的作用，并具有很强的可塑性，容易形成承载结构。此外围压是影响注浆加固十分重要的因素之一，尤其是在注浆加固处于低围压时，随着围压的增大，注浆加固效果显著提高[9]。在现场对集中破碎巷道注浆时，通过巷道周边浅部围岩支护提供围压，获得较高的支护阻力，最终提高破碎围岩的力学性能，提高围岩的稳定性。

2.2 集中煤巷注浆加固方案

新元矿集中巷道围岩变形量大，在原有基础上无法施工，需先进行起底和扩帮。由于巷道围岩本身结构减弱，且内部裂隙发育，因此，在施工时需要及时进行注浆加固与支护，减少裂隙进一步发育。基于注浆加固原理，通过对注浆影响因素的改变和调整，增强注浆加固效果，提高集中煤巷支护强度，从而有效控制巷道变形。

2.2.1 低压浅孔注浆加固

集中破碎大变形的煤巷在高应力下，围岩破碎松散、巷道变形严重，破碎围岩完整性降低、整体承载结构不稳定且围岩锚固效果差。通过对浅层破碎围岩进行低压浅孔注浆，不仅使表层松散破碎处围岩形成整体，提高围岩整体稳定性和锚喷壁后的强度，而且为深孔注浆加固提供必要的施工条件[10]。巷帮浅部围岩有明显裂隙，注浆压力一般不超过2MPa，裂隙开度较小时可采用1～2MPa，加大注浆强度。现场围岩裂隙发育、严重破碎时注浆压力值为0.6MPa，对浅部破碎围岩起到粘结加固作用。根据现场施工条件，浅部注浆孔需沿巷道断面成排布置，注浆钻孔相邻两排呈五花眼方式布置。注浆孔排间距4000mm×1500mm和4000mm×2000mm，钻孔深度2500mm，两帮底脚注浆孔下扎10°，两帮顶角注浆钻孔上仰10°，采用煤矿用履带式坑道钻机打孔，钻孔直径为56mm；其余注浆孔全部垂直于巷道围岩表面，采用锚杆(锚索)钻机打孔，钻孔直径为36mm。

2.2.2 底板锚注加固

特殊部位增加注浆钻孔的个数补充加固，可提高巷道两帮围岩的承载能力，减少两帮下沉量，从而减少底鼓量[11]。因此，软岩巷道控制巷道底鼓的有效方法是对底板进行注浆锚固[12]。为提高围岩的整体性和稳定性，需要将底板加固和注浆有机结合[13]。巷道底板注浆采用水泥浆，钻孔直径为56mm，孔深5000±100mm。锚索排距1500mm，间距1600mm，长度5300mm，其中300mm为外露张拉段，预紧力不小于200kN，配合φ6.5mm钢筋网，网孔规格100mm×100mm。

2.2.3 高压深孔注浆加固

通过浅孔注浆加固在围岩浅部破碎处已形成具有一定厚度和承载力的加固环，在此稳定的结构基础上高压深孔注浆，不仅可以扩大注浆加固范围，也为低压浅孔注浆重新复注增强效果，同时将原有锚索支护即围岩体中端部锚固转化为支护体中全长锚固，从而形成注浆加固锚索，不仅有助于形成树脂锚固与浆液复合锚固的锚杆有效结构，而且增强浆液与岩体坚实的承载性能[8]。浅孔初期注浆后，在浅孔注浆管中重新钻孔，进行高压深孔渗透注浆。巷道围岩深孔注浆压力主要取决于围岩的渗透性能和浆液性能，要求注浆深度有限，高压深孔注浆压力控制在4～6MPa。集中胶带大巷巷帮深部注浆孔排距4000mm，间距1500mm和2000mm，注浆孔深度8000mm，两帮顶底角直径56mm，其余直径为36mm。在高压深孔注浆施工过程中，一方面要保证注浆压力，另一方面采取相应堵漏措施避免注浆区严重漏浆。

巷帮预应力注浆锚索间排距1100mm×2000mm，长度6300mm，其中300mm为外露张拉段，钻孔深度6000±100mm。采用锚杆(锚索)钻机打孔，钻孔直径36mm，其中孔口段采用煤矿用履带式坑道钻机开孔，钻孔直径56mm，开孔深度3000mm，全长锚固，首先采用3支低黏度树脂锚固剂进行端部锚固，锚固剂总长度为1970mm，规格为MSK2335×1，MSZ2360×2，剩余部分采用水泥浆锚固。锚索预紧力≥250kN。

巷道两帮在完成注浆锚索施工后要进行喷浆封闭，喷层厚度120mm，喷砼强度为C20，喷浆完成后必须对底板硬化，硬化厚度300mm，硬化强度C30。

2.3 现场监测分析

在现场注浆锚固段巷道共安装4个位移测站，采用“十字”布点法，每个监测站布置1～3个测点，顶板和两帮的变形情况测试结果如图2所示。

图2 巷道围岩表面位移监测曲线

综合分析注浆加固后4个监测断面的位移规律可知，顶底板总体变形小，有效减缓巷道表面变形。此外注浆加固提高了巷道围岩整体性，有助于控制巷道围岩稳定性，通过监测看出随着时间的推移，巷道进入稳定阶段。巷道围岩表面位移监测结果显示:两帮最大移近量54.0mm，平均移近量40.0mm，最大移近速率1.71mm/d，平均移近速率0.59mm/d；顶板最大变形量12.0mm，平均变形量10.5mm，最大变形速率0.6mm/d，平均变形速率0.22mm/d。以上观测结果表明现场注浆加固有效地控制住了巷道围岩的缓慢持续变形，能够确保巷道长期稳定。

3 结 论

(1)一般而言，注浆加固效果取决于注浆压力、浆液流动性和孔隙裂隙以及其他影响因素，而在注浆过程中改变注浆压力，控制浆液的流变参数来实现较高填充率的注浆加固效果起着决定性的作用。

(2)集中承载强度高的煤层巷道处于高应力场，距离巷道位置不同其裂缝之间差异很大，为实现孔隙裂隙良好充填效果需要低压、高压注浆联合作用。

(3)相比于一般注浆加固工程，集中煤巷破碎煤岩体对裂隙煤岩体注浆难以形成骨架，需配合相应强度支护结构才能有效发挥注浆加固的效果。

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StudyonSupportingStrengthofConcentrationCoalRoadwayBasedonGroutingReinforcementMechanism

MA Bing，GUO Xiang-ping

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

The stress state of concentration coal roadway in coal mine was complex，and integrity of surrounding rock was worse，the integrity bearing capacity of surrounding rock could be improved by grouting reinforcement，but the fractures in shallow and in deep of concentration coal roadway was more difference，so the fractures could be filled effectively under combined action of low pressure grouting and high pressure grouting，under grouting reinforcement and corresponding strength supporting structure combination，grouting effects could be exhibited effectively，surrounding rock integrity and bearing capacity of broken roadway was improved at the same time.Grouting mechanism was analyzed deeply，an effectively method that controlling concentration coal roadway supporting strength，and then it was applied in field of Xiyuan coal mine，the results was remarkable，according long time roadway surface convergence monitoring，roadway deformation was stability，the continuous deformation problems of concentration coal roadway was solved successfully.

grouting reinforcement；concentration coal roadway；fracture；supporting

2017-06-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.016

国家重点研发计划课题(202017YFC0603004)

马 冰(1981-)，男，山东淄博人，工程师，主要从事注浆技术的研究与推广工作。

马 冰，郭相平.基于注浆加固原理控制集中煤巷支护强度研究[J].煤矿开采，2017，22(6)：66-68，107.

TD353.8

A

1006-6225(2017)06-0066-03

姜鹏飞]