汾源煤业采动影响下采区大巷群注浆加固技术研究

谢 鹏

(霍州煤电集团 汾源煤业公司，山西 霍州 035100)

1 工程概况

霍州煤电集团汾源煤业位于山西省忻州市静乐县杜家村镇内，采用斜井开拓，生产能力为120万t/a，开采水平为+1 100 m，采用综采放顶煤采煤工艺，矿井属于瓦斯矿井，目前开采5号煤层，5号煤层平均厚度8.1 m，倾角0～4°，一采区三条大巷均沿5号煤层底板掘进，煤层顶底板岩性特征如表1所示。一采区井下标高为+1 179～+1 267 m，埋深为270～390 m，采用双翼布置，首先进行采区左翼1-101工作面的回采，然后进行右翼1-102工作面的回采，两翼工作面交替进行采掘。1-101工作面即将回采完毕时，对应位置的三条大巷表现出明显的变形破坏，需采用适当的措施进行治理。

表1 煤层顶底板岩性特征

2 一采区大巷永久支护方案

一采区三条大巷平行布置，保护煤柱宽度为30 m，三条大巷均采用矩形断面，断面尺寸差别不大，因此本文以左侧的辅运大巷为例进行研究。辅运大巷断面尺寸宽、高分别为5.2 m和3.6 m，掘进期间其永久支护如图1所示。顶板和两帮锚杆规格为D20 mm×L2 400 mm，杆体材料为HRB500钢，间排距均为800 mm，采用规格150 mm×150 mm×10 mm的碟形托盘，顶板锚杆采用CK2335型和Z2360型树脂药卷各一支，安装预紧力距不小于150 N·m，两帮锚杆采用一支Z2360型树脂药卷，安装预紧力距不小于50 N·m，同排锚杆间采用由D14 mm的圆钢双面焊接制作的梯子梁联结，顶板靠近顶角锚杆向外侧偏斜20°设置，帮部靠近顶角的锚杆向上倾斜20°布置，帮部靠近底角的锚杆向下倾斜20°布置。顶板锚索采用D18.9 mm×L8 300 mm的钢绞线，间距为2 000 mm，排距2 400 mm，锚索间通过厚度3.5 mm的M型钢带联结。

图1 辅运大巷支护断面

3 大巷松动圈测试

1-101工作面即将回采完毕阶段，现场调研发现，对应位置的三条大巷表面均出现明显的变形现象，预计将影响巷道的正常使用，需采取适当的加固措施。为掌握围岩的变形破坏特征，现场采用地质雷达对大巷围岩的松动圈进行了测试[1-2]，通过地质雷达扫描巷道断面，在松动破碎围岩内，地质雷达发出的电磁波呈杂乱无章的状态，当电磁波传递至破碎区与完整岩体的交界处时，电磁波会产生反射波，根据反射波的特征可推断出巷道围岩松动圈的发育情况。在三条大巷内分别布置两个测点，具体位置如图2所示，测试结果见表2。

图2 松动圈测点布置

由表2可以看出，三条大巷顶板和两帮松动圈发育范围较大，底板松动破坏范围较小，顶板松动圈发育范围为2.4～2.6 m，两帮松动圈范围为2.4～3.1 m，底板松动圈范围为0.85～1.45 m。根据松动圈的分类标准，三条大巷均属于大松动圈的范畴，巷道围岩属于Ⅳ和Ⅴ类不稳定围岩，顶板和两帮的松动圈发育范围均超出了锚杆支护的有效范围，若不采取合理的加固措施，预计大巷围岩存在整体性失稳的可能。

表2 松动圈测试结果 m

4 注浆加固技术

根据三条大巷围岩松动圈发育情况，原有锚网索联合支护已无法控制巷道围岩破坏，为抑制巷道围岩内松动圈的进一步扩展发育，提高巷道浅部围岩的自稳和承载能力，提出对巷道围岩进行注浆，根据松动圈发育情况设计顶板和两帮注浆加固范围为3 000 mm。目前常用的注浆材料可分为化学浆液和水泥浆液，汾源煤业一采区大巷围岩松动破坏严重，围岩内存在大量裂隙、孔隙，浆液需要具有良好的粘结性和充填能力，因此选择ZKD高水速凝材料，这种浆液具有水灰比高、渗透性好、微膨胀等优点。

由于汾源煤业5号煤层顶板为泥质灰岩和泥岩，岩层内富含遇水膨胀性矿物，浆液中析出水分过多的话将降低顶板岩层的强度，因此合理的水灰比对于注浆效果影响很大，因此决定进行不同水灰比浆液性质的实验，测试不同浓度浆液凝固后抗压强度，整理得到表3所示结果。

表3 注浆后抗压强度变化

从表3可以看出，浆液浓度愈高，浆液凝固周期越短，凝结后的强度愈高，但浆液水灰比小于1.5时，浆液凝结速度过快，不利于现场施工，但浆液浓度增大至1.8及以上时，浆液凝固后强度显著降低，因此最终确定一采区三条大巷注浆材料水灰比为1.5∶1。

巷道浅部围岩通常可通过注浆锚杆或中空注浆管，汾源煤业各条大巷围岩破碎严重，浆液具有良好的渗流通道，因此选择中空注浆管进行注浆，沿长度方向由注浆段、封孔段及联结段组成，参考类似地质条件下巷道围岩注浆管的设计[3-4]，本次注浆采用直径20 mm的无缝钢管，管壁厚2.5 mm，注浆管总长度2.5 m，注浆管详细情况如图3所示。

图3 中空注浆管示意(mm)

设计注浆钻孔深度为3.0 m，钻孔直径42 mm，注浆孔间排距为1.6 m，为防止注浆期间，临近钻孔漏浆、跑浆，设计分两次进行注浆，首次注浆注浆孔排距为3.2 m，注浆孔布置如图4所示。

图4 大巷围岩注浆孔布置

5 应用效果分析

对1-101工作面对应区域的三条大巷围岩进行注浆加固后，为考察注浆效果，在注浆前后采用YTJ20型岩层探测记录仪对辅运大巷顶板进行钻孔窥视，给出不同深度较典型的围岩情况如图5所示。由图5可以看出，注浆前，辅运大巷顶板深度0.5 m处岩层破碎严重，围岩内存在大量空隙；顶板深度0.5～1.5 m范围内，岩层也基本全部破碎，且存在明显的离层，深度1.5～3.0 m范围内，岩层存在较大裂隙和离层。注浆后，0～0.5 m内顶板岩层，浆液充填效果良好，0.5～1.5 m范围内，岩层内的裂隙由浆液填充，胶结效果良好，深度1.5～3.0 m处，顶板岩层完整性良好。综上可知，注浆加固后，大巷围岩强度明显提高，松动圈发育范围明显减小。且加固后大巷表面无明显的变形现象，围岩整体稳定，加固效果良好。

图5 辅运大巷注浆前后顶板窥视结果