巷道断层带围岩注浆加固技术应用

聂佳敏

（冀中能源段王煤业集团有限公司，山西 晋中 045400）

井工煤矿在开采过程中易受断层、 陷落柱构造影响导致巷道顶板完整性差、围岩承载能力低，巷道开挖后变形大、后期维护成本高。众多学者[1-6]对构造区巷道的变形机理及控制技术进行了深入研究，并取得了较多研究成果。本文以冀中能源段王煤业集团有限公司某矿9714 工作面为工程背景，研究注浆加固技术应用于断层构造影响区的巷道围岩变形控制效果。

1 工程概况

9714 工作面开采9#煤层，工作面区段标高+724～+756 m，煤层埋藏深度+359～+460 m。工作面设计走向长度约1 200 m，倾向长度220 m，采用一次采全高采煤方法，采高控制在5 m。工作面北部为9713 工作面，东邻七采区运输大巷，南靠9715 设计工作面，西部为采空区。

9714 工作面切巷及顺槽揭露多条断层，其巷道掘进过程中存在顶帮破碎、顶板超高、巷道变形严重等问题，影响巷道的正常掘进和后期的安全使用。9714 工作面回风巷揭露了F2正断层、F3正断层、F4正断层，其断距分别为5.5 m、2.1 m、3.5 m。上述断层影响范围沿工作面走向长达800 m。本次注浆加固区段为距回风巷开口位置较近的F4断层影响区，如图1所示。

图1 工作面内断层分布

2 注浆孔布设方案

3.1 顶板潜孔注浆加固方案

巷道宽度5 m，设计注浆孔排距3 m，每排3个钻孔，钻孔间距1.8 m，中间钻孔居中布置，两侧钻孔往两侧偏角5°，孔深均为4 m，孔径均为75 mm，如图2所示。顶板注浆的巷道长度共计50 m，预计实施钻孔50 个，钻孔工程量累计200 m，封孔长度1～2 m，采用两堵一注方式，钢管两端包裹棉纱，中部灌浆。

图2 回风巷顶板注浆钻孔布置剖面

3.2 巷道回采帮侧中深孔钻孔布置方案

根据9714 工作面地质资料，F4断层影响区煤层倾角平均为4°，破碎带影响范围为50 m。在综合考虑注浆扩散半径的基础上帮部注浆孔采用单排布置，钻孔间距2 m，开孔高度距离顶板1 m，孔深20 m，仰角0°，孔径75 mm，预计共施工26个孔，总钻进工程量为520 m，如图3所示。注浆管由4 根6 分无缝钢管（2 m/ 根）以及12 m 的PVC 管共同组成，封孔长度4～6 m，采用两堵一注方式，钢管两端包裹棉纱，中部灌浆。

图3 中深孔布设

3 钻孔分段施工工艺及装备

采用TXU-200A 型煤矿用全液压坑道钻机，钻头直径75 mm，最大钻进深度150 m。为保证成孔质量及注浆效果，本次钻孔施工采用三段式分段钻进。

第一阶段：套管安装及固定。架设好钻机，调整完钻进角度后，首先使用Φ113 mm 钻头打孔4 m，退出钻杆和钻头，插入套管（套管采用108 mm 直径钢管，两节之间通过丝扣连接，外端一节焊法兰盘，另外一片法兰盘上焊上直通，用于连接高压注浆管，如图4所示），注双液浆将套管固定牢固。

图4 套管安装及固定

第二阶段：循环钻进及注浆。套管固定完成，打开法兰盘，将钻机上的Φ113 mm 钻头更换为正常75 mm 钻头打钻，继续钻进10 m，退出钻杆和钻头，采用双液注浆泵，通过法兰盘进浆口注浆。

第三阶段：钻进成孔后下钢管、注浆。打钻成孔后，退出钻杆，按要求下钢管和PVC 管，利用钢管进行注浆。

4 注浆材料及设备

双液注浆材料主要成分为硫铝酸盐水泥、石膏，当水灰比为0.8:1 时，在注浆后2 h、1 d、3 d、7 d下的巷道围岩单轴抗压强度分别可达10.8 MPa、12.8 MPa、14.7 MPa、17.5 MPa。

单液注浆材料以42.5 硅酸盐水泥为基料，超细粉磨到1 000 目以上，并加入一定的减水剂、早强剂、分散剂配制而成，具备良好的渗透性和施工特性，该材料水灰比为0.6:1。由于采用较小的水灰比，且超细粉基料提高了材料的活性，巷道围岩强度增长迅速，1 d 单轴抗压强度16 MPa 以上，3 d单轴抗压强度25 MPa 以上，7 d 强度25 MPa 以上，满足工作面快速推进的时效性要求。

根据两类材料的力学性质及不同工艺对初凝时间的要求，顶板浅孔封孔、注浆采用双液注浆材料，水灰比0.8:1；帮部中深孔套管固定采用双液注浆材料，水灰比0.8:1；扫孔后一次注浆采用双液注浆材料，水灰比0.8:1；成孔后注浆采用单液注浆材料，水灰比0.6:1。在注浆过程中，必须注意观察泵及巷道四周状况，当煤壁漏浆严重时需换注双液材料，待漏浆通道封堵后再次换注单液注浆材料。

5 注浆压力设计

巷道顶板注浆终止压力设计为4～6 MPa，当达到设计压力，或者从一处反复漏浆无法封堵时，可以换孔，注浆量过小时应当开孔复注。

巷道帮部注浆终止压力设计为10～15 MPa，当出现漏浆泄压，难以达到注浆压力时，可以换注双液注浆材料，成功堵漏后换回单液注浆材料，交替注浆达到注浆压力要求。

6 注浆效果评价

本次共设置3 组位移测站，本文以测站1 为例分析注浆区巷道的变形规律。如图5所示巷道顶底板及两帮移近量在注浆后的20 d 内递增速率较大，该时段的累计变形量分别占整个观测周期总变形值的93%和82%，注浆20 d 后顶底板及两帮的变形量逐渐趋稳，最大值分别为89 mm、176 mm，巷道变形量整体可控，未见网包等矿压显现行为。巷道浅部基点在注浆后的30 d 内位移呈递增状态，最终位移量为1.3 mm，深部基点在喷浆10 d 后变形量最终稳定在0.5 mm，顶板岩层位移量较小，这表明水泥浆液对断层影响区附近的破碎顶板裂隙进行了充分封堵，有效提高了顶板岩层的完整性及强度。

图5 监测断面位移变化

7 结论

1）考虑不同区域巷道对注浆材料力学性能及凝固时间的要求，在顶板浅孔封孔、注浆采用双液注浆材料，水灰比0.8:1；帮部中深孔套管固定采用双液注浆材料，水灰比0.8:1，扫孔后一次注浆采用双液注浆材料，水灰比0.8:1，成孔后注浆采用单液注浆材料，水灰比0.6:1。

2）巷道顶底板及两帮移近量在注浆后的20 d内递增速率较大，注浆20 d 后顶底板及两帮的变形量逐渐趋稳，最大值分别为89 mm、176 mm，监测断面深部基点、 潜部基点的最终位移量分别仅为0.5 mm、0.3 mm，这表明注浆加固技术能有效提高顶板岩层的完整性，改善破碎区岩体的力学性能。