石港煤业15210进风巷围岩注浆加固技术应用

（山西石港煤业有限责任公司，山西 左权 032600）

1 工程概况

山西石港煤业有限责任公司15210综采工作面位于15#煤二采区，东南部为二采区准备大巷，北部为正在回采的15208工作面，南部为15212工作面（未掘进），西部为无主矿界，15210工作面具体位置见图1。15210进风巷设计长度为774m，巷道在15210进风系统巷R252测点前7m处开口，沿15#煤顶板掘进40m，按16°下坡掘进30m，掘至15#煤底板，沿15#煤底板向前掘进，巷道平均坡度为8°，15210进风巷煤岩层厚度、岩性见表1。15210工作面回采初期，进风巷围岩出现明显的过度变形和破坏，亟需采取一定的技术措施进行围岩加固，确保工作面的安全高效回采。

图1 15210工作面位置关系

表1 15210综采工作面进风巷顶、底板岩性情况

2 15210进风巷原有支护方案及破坏特征

2.1 原有支护

15210进风巷永久支护方式为锚网梁联合支护，掘进断面尺寸（宽×高）为4500 mm×3200 mm，顶板支护材料为：Φ22 mm×2000 mm高强度螺纹钢锚杆、Φ18.9 mm×8300 mm钢绞线锚索、六孔W型钢带（长、宽、厚=4300 mm、80 mm、8 mm）、Φ6.5 mm铁丝制成的网孔为150 mm×150 mm的菱形网，锚杆布置间排距800 mm×800 mm，顶角锚杆向外侧倾斜20°，锚索间排距为1250 mm×1600 mm，垂直顶板安装。两帮采用锚杆和金属网与顶板规格相同，每排5根，间排距700 mm×800 mm，靠近顶角的锚杆与水平方向呈20°的夹角，其余沿水平方向布置。15210进风巷原有支护方案见图2。

图2 15210进风巷支护方案

2.2 矿压显现特征

15210进风巷掘进期间受到临近工作面的采动影响及采空区侧向支承压力的影响，掘巷前期围岩发生一定的变形，成巷约两周后围岩基本稳定，巷道断面满足正常使用的要求。15210工作面投入生产初期，15210进风巷受到超前支承压力和临近采空区侧向支承压力的复合影响，超前工作面一定范围内的巷道围岩发生剧烈的矿压显现，主要表现为顶板快速下沉，煤柱帮片帮严重。工作面回采约60 m后，采用单体液压支柱超前工作面50 m进行加强支护，前方巷道表明开始逐渐变形，巷道两帮围岩挤压破碎，局部出现冒顶、网兜等现象，顶板最大下沉量达650～750 mm，煤柱帮局部位移量达450～550 mm，实体煤帮局部位移达300～380 mm，煤柱帮破坏更加严重。原有支护失效，顶板锚杆平均每排失效1～3根，个别锚索失效，煤柱帮锚杆局部失效1～2根，断面已无法满足其正常使用的需求。因此，需要采取适当的措施对巷道围岩进行加固。

3 15210进风巷围岩加固技术

根据现场勘查结果可知，15210进风巷原有支护方案无法抑制松动圈的扩展，可通过注浆法将破碎围岩胶结成一个整体[1-2]，从而改善巷道围岩的受力特征，达到控制巷道围岩失稳破坏的目的。

3.1 破碎煤体注浆固结强度研究

15210进风巷围岩主要为松软破碎的煤层，设计采用中国矿业大学研制的ZKD高水速凝材料[3-4]，为取得良好的加固效果，进行不同注浆参数对煤体固结强度影响的研究。由于浆液的水灰比对加固效果非常关键，因此分别进行水灰比为1.5:1、1.8:1、2.0:1条件下浆液胶结煤体的实验。在15210进风巷现场进行取样，将取来的完整煤体加工成1×10-3m3的立方体试样，破碎的煤体分别注入不同水灰比的浆液后加工成相同尺寸的试样，注浆量为320 ml，养护48h后，进行单轴抗压强度试验，试件见图3。

图3 各类型试件图片

整理得到试验平均单轴抗压强度和水灰比的变化曲线见图4。可以看出，ZKD高水材料浆液水灰比为1.5:1、1.8:1、2.0:1条件下，试样的平均单轴抗压强度分别为4.79MPa、2.93MPa、2.15MPa，随着浆液浓度的增大（水灰比减小），试样的强度逐渐增大，水灰比由1.8:1减小为1.5:1时，试件强度增大最为显著，故本次研究选用水灰比为1.5:1的高水注浆材料。

图4 试样强度与浆液水灰比的关系

为便于理解和叙述，将注浆固结试样单轴强度与完整试样单轴强度的比值定义为强度恢复系数；将注浆固结试样残余强度与完整试样残余强度的比值定义为固结系数。由表2可以看出，注浆固结体的单轴抗压强度为完整煤样的26.1%～28.8%，注浆加固体试样的残余强度明显大于完整煤体，其固结系数达1.80～2.25倍，注浆加固可使煤体破碎后的强度提高1.80～2.25倍。综上分析可知，水灰比为1.5:1高水速凝材料加固后，一定程度提高了松软破碎煤体的完整性和强度，并大幅度提高煤体的残余强度，阻止了巷道围岩的松动圈扩展，从而有效地改善巷道表面位移情况。

表2 完整煤块试样和注浆固结体力学实验结果对比

3.2 注浆加固方案设计与应用

石港煤业15210进风巷采用ZKD高水速凝材料注浆加固，其水灰比为1.5:1。参考相关研究成果[5-6]，巷道浅部围岩破碎严重，而深部的围岩破碎程度较轻且裂隙开度较小，当采用注浆法加固煤岩层时，围岩破碎严重时注浆压力一般不超过2MPa，围岩较完整时注浆压力不超过5MPa。为取得较好的注浆加固效果，浅部围岩通过注浆管注浆，在巷道顶板原有支护的三根锚索之间布置两个注浆孔，注浆孔直径为42 mm，深度为2500 mm，间排距1500 mm×1600 mm，距离巷帮1500 mm，垂直顶板施工，注浆压力为1～2MPa。顶板注浆孔直径为32 mm，深度为8000 mm，每排三个注浆孔，布置在原有支护未安装锚索的两排锚杆之间，间排距1250 mm×1600 mm，采用Ф22 mm×8300 mm的中空注浆锚索，围岩浅部注浆管与深部注浆锚索交替布置，注浆压力4～5MPa；煤柱帮注浆孔直径为32 mm，深度为5000 mm，间排距为1100 mm×1600 mm，每排两根，采用Ф22 mm×5300 mm的中空注浆锚索，深孔注浆压力为3～4MPa。注浆孔的布置见图5。

图5 15210进风巷围岩注浆孔布置

4 15210进风巷围岩注浆加固效果考察

为考察15210进风巷围岩注浆加固效果，在15210工作面恢复生产后，超前工作面100 m布置巷道表面位移监测站，直至工作面推进至测点附近，其监测点处巷道顶板下沉量为350 mm，巷道两帮相对移近量为500 mm，巷道围岩稳定，能够满足正常生产要求。

采用钻孔窥视仪对顶板岩层进行窥视，其有代表性的结果见图6，图中黑色部分为煤体，白色部分为浆液凝固体，灰色部分为巷道顶板岩层。根据现场窥视结果分析总结可知，巷道顶板0～3.0m范围内，破碎煤体由浆液充填固结，煤体完整，注浆固结效果较明显；巷道顶板3.0～6.8m范围内，围岩内的节理、裂隙由浆液充填，起到良好的胶结作用。

图6 顶板钻孔观测注浆效果

5 结语

1）设计采用高水速凝材料对15210进风巷进行加固，通过实验室确定最佳水灰比为1.5:1，注浆后围岩的残余强度可提高1.80～2.25倍，注浆能够显著提高巷道围岩的整体性。

2）设计采用注浆锚杆、中空注浆锚索对巷道顶板和煤柱帮进行加固，通过钻孔窥视表明：巷道顶板0～3.0m范围内，破碎煤体由浆液充填固结，煤体完整，注浆固结效果较明显；巷道顶板3.0～6.8m范围内，围岩内的节理、裂隙由浆液充填，能起到良好的胶结作用。

3）对巷道围岩进行注浆加固，可以使巷道位移量显著减小。