61116材料巷破碎围岩注浆与支护技术研究与应用

高 洁

（汾西矿业集团柳湾煤矿，山西 孝义 032303）

1 工程概况

山西焦煤汾西矿业（集团）公司柳湾煤矿61116工作面井下位于六盘区，北部为61114工作面采空区，西部为六盘区南翼胶带巷、六盘区南翼轨道巷、六盘区南翼回风巷。工作面开采11#煤层，煤层平均厚度5.39 m，平均倾角为5°，煤层顶板岩层为页岩和K2灰岩。61116材料巷为工作面的回风、行人巷，巷道沿煤层底板掘进，掘进断面为矩形，断面宽度×高度=4000 mm×2800 mm。巷道原设计采用锚网索支护，由于11#煤层松软破碎，且直接顶页岩内节理裂隙发育，巷道掘进期间存在围岩变形量大的问题。为保障围岩稳定，拟采用注浆加固技术，需进行注浆加固及支护方案的研究分析。

2 注浆加固控制巷道变形分析

61116材料巷掘进期间两帮及顶板1 m范围内为煤体，11#煤层节理裂隙发育，煤层强度低，易出现松软破碎和冒顶现象。根据巷道掘进期间的变形监测可知，围岩变形量大，但此时若仅仅通过提升支护强度的方式无法保障围岩的稳定，保障围岩稳定的首要方式是提升围岩自身承载能力[1-3]。

注浆加固方式能够有效提升围岩自身的承载能力，有效改善巷道围岩中应力的分布情况。采用UDEC数值模拟软件进行破碎围岩体滞后注浆加固前后围岩体应力和变形特征的模拟分析。根据61116材料巷地质条件，建立模型尺寸为宽×高=150 m×41.4 m，模型左右边界限制其水平方向的位移，模型底边界限制其竖直方向的位移[4-5]。

模型建立完毕后，数值模拟过程为：（1）模型初始应力平衡；（2）一侧工作面回采并计算至力学平衡；（3）开挖巷道，研究分析巷道围岩垂直应力和位移分布情况；（4）开挖巷道后，及时进行滞后注浆加固的模拟，研究滞后注浆后围岩垂直应力和位移分布情况。

2.1 围岩垂直应力分布

注浆加固前后围岩垂直应力分布如图1。

图1 巷道围岩注浆前后围岩垂直应力分布图

分析图1可知，巷道围岩注浆加固后，巷道周边围岩垂直应力明显减小，围岩垂直应力最大值向深部区域转移，巷道围岩承受的垂直应力分布形态呈现出正常的椭圆形，围岩周围垂直应力分布均匀；而巷道围岩未注浆加固时，巷道围岩垂直应力分布相对较为混乱，围岩垂直应力分布不连续，存在局部应力集中现象。

2.2 围岩位移量

注浆加固前后，巷道掘进和回采期间的变形量见表1。

分析表1可知，注浆加固后，巷道掘进期间围岩变形量大幅降低，其中巷道顶板下沉量和两帮移近量降幅显著，顶板下沉量的降低幅度达到65%，左帮位移量和右帮位移量的降低幅度分别为76.9%和76%。工作面回采期间，注浆加固后的围岩整体变形量同样大幅降低。巷道未采用注浆加固时，模拟时围岩变形量大，无法满足回采巷道的使用要求；工作面注浆加固后，有效控制了围岩的变形，围岩最大变形为顶板下沉量，最大值为250 mm，变形量满足回采巷道使用需要。

表1 注浆加固前后巷道变形情况数据表

综合分析可知，注浆加固能够提升围岩的整体性，提升围岩自身的承载能力，控制巷道围岩的变形，保障围岩的稳定。

3 破碎围岩支护方案及效果

3.1 破碎围岩支护方案

根据61116巷松软破碎围岩的特征，结合注浆加固对控制巷道围岩变形的分析结果，确定巷道采用锚网索+滞后注浆加固的支护方案，具体支护如下：

（1）锚网索支护。锚杆采用高强度螺纹钢锚杆，规格参数Φ20 mm×2400 mm，顶板和两帮的间排距分别为900 mm×800 mm、700 mm×800 mm，锚杆采用加长锚固，锚固长度为1.4 m，巷道断面采用钢筋梯子梁+金属网护表。顶板锚索采用高强度1×7股钢绞线，锚索规格为Φ21.8 mm×7300 mm，间排距为800 mm×3200 mm，锚索采用端头锚固，锚固长度为1.7 m，锚索预紧力为150 kN，顶板每间隔4排布置一排锚索，锚索每排布置两根。具体61116材料巷锚网索支护形式如图2。

图2 61116材料巷锚网索支护形式示意图（mm）

（2）注浆加固。注浆孔每排布置4个，排距5 m。顶板布置2个，注浆孔与顶板夹角90°，距帮1.2 m处开孔，孔深4 m。采用注浆封孔器进行封孔，封孔器长度为3.5 m，封孔作业时保障封孔器与孔壁接触密实。两帮各布置1个孔，距底板2 m处与巷帮夹角45°，孔深3 m，封孔器距孔口2.5 m[6]。注浆加固采用水泥-水玻璃浆液，水泥浆水灰比为0.5～0.6，水泥浆与水玻璃浆液的比值为1:1，注浆作业时控制终孔注浆压力为1.5～2.0 MPa，注浆方式为两循环注浆。具体注浆钻孔布置形式如图3。

图3 61116材料巷注浆钻孔布置方式示意图（mm）

注浆施工流程：① 将注浆泵、搅拌桶、无机加固材料及附件等运至施工地点。②准备工作就绪后，将各类管路与注浆泵及注浆花管连接好，首先泵水试验管路是否畅通；③ 注浆作业时应有一个注浆备用桶，将搅拌好浆液倒到备用桶中，或一个桶搅拌，一个桶注浆。注浆设备与待注区域间的距离应小于10 m；④ 将水泥倒入搅拌桶加水进行搅拌，确保每桶的搅拌时间在10 min左右，并在另外一个桶内倒入水玻璃浆液。⑤ 在注浆过程中，安排专人观察注浆泵和孔口。当注浆压力达到设定值或孔口大范围返浆时，即可停止该孔的注浆作业，并转移至下一注浆孔。如此循环，直至加固施工结束。⑥ 注浆完毕后及时卸压，清洗注浆管路，将注浆管移至下一个区域进行注浆作业。如此循环，直至全部注浆孔注浆完毕。

3.2 效果分析

61116材料巷掘进期间，采用十字布点法进行巷道围岩变形情况的分析。根据监测结果绘制出围岩变形量曲线图如图4。

图4 巷道掘进期间围岩变形量曲线图

分析图4可知，61116材料巷掘进期间，巷道围岩变形主要出现在巷道掘出后的0～30 d内。围岩在该阶段变形速率大，随着巷道掘出时间的增大，围岩变形速率大幅降低。当巷道掘出40 d后，顶底板及两帮变形基本不再增大，围岩变形速率基本为零，围岩在该阶段达到稳定状态。最终顶板下沉量、两帮移近量和底板鼓起量的最大值分别为38 mm、56 mm和47 mm。

4 结论

根据61116材料巷的赋存条件，通过数值模拟分析注浆加固控制巷道围岩变形的特征，得出注浆加固能够有效提升围岩承载能力、降低围岩变形量的结论，并确定了巷道采用锚网索+注浆加固的联合支护方案，有效地解决了围岩变形量大的问题。