沁水东大煤矿破碎围岩岩巷注浆加固技术应用研究

刘战方

（晋城金成矿山建筑工程有限公司，山西 晋城 048000）

1 工程概况

沁水东大煤矿3101 工作面底板标高+95～+53.5 m，3101 工作面底抽巷布置于3 号煤层底板岩层中，开口方位角为115°56′07″，设计长度为1 668.357 m，坡度根据煤层变化适当调整，采用EBZ-200H 悬臂式掘进机掘进。根据2#联络巷和中央辅运巷大巷实测探煤记录推断巷道顶板离3 号煤层底板约15～20 m，水平方向，内错3101 辅运顺槽15 m 布置。巷道顶板为砂质泥岩，底板为互层。四邻掘进情况：东北方向为3101 工作面辅运顺槽，西南方向为3101 工作面输送机顺槽，西北方向为中央辅运大巷。

2 原有支护及变形特征

2.1 原有支护

3101 底抽巷断面形状为直墙半圆拱形，原支护方式为“锚网索+表面喷浆”。巷道设计宽度4.6 m，高3.7 m，顶板采用Ф22 mm×2400 mm 左旋全螺纹钢锚杆，间排距900 mm×1000 mm。帮锚杆规格为Ф20 mm×2200 mm 左旋全螺纹钢，间排距1100 mm×1000 mm，每侧两根，靠上一根垂直煤帮沿水平方向施工，下部一根垂直煤帮与水平方向呈15°夹角施工。顶板及两帮锚杆均采用树脂加长锚固方式。顶板锚索采用直径19.8 mm 的钢绞线，长度为8300 mm，每排布置3 根锚索，间排距为1600 mm×2000 mm，采用3 支树脂锚固剂端锚，两帮锚杆每排2 根，间排距1100 mm×1550 mm，巷道表面喷射120 mm 厚C20 混凝土，底板浇筑150 mm厚C20 混凝土。锚杆、锚索详细布置方式如图1。

图1 3101 底抽巷原支护方案（mm）

2.2 变形情况

3101 底抽巷自开挖后，巷道表层喷浆多处出现开裂、坠包、脱落，顶板多处下沉、冒落，帮部片帮内鼓，巷道断面整体收敛破坏，严重影响其正常使用。在距开口30 m 处进行钻孔窥视，对3101 底抽巷围岩塑性破坏范围实测，典型围岩破坏情况如图2。距巷道表面3.0 m 深度范围内，围岩破损严重，随着深度的增大，破碎程度有所下降；深度3.0～6.5 m 范围，围岩内存在多处垂直裂隙；当深度达到7.0 m 以上时，围岩完整性较好。由此说明，原有支护方案条件下，围岩松动破碎深度约为3.0 m，裂隙发育深度范围3.0～7.0 m，7 m 以上深度范围内围岩完整稳定。

图2 松动圈范围实测

3 注浆加固方案模拟研究

采用FLAC3D软件建立模型[1-2]，模拟分析围岩注浆加固技术的应用效果及可行性。模型尺寸为50 m×50 m×33 m，巷道开挖断面为直墙半圆拱，巷道周边围岩建立模型时网格加密处理，模型底面和四周施加位移约束条件，顶面施加12.5 MPa 垂直应力，测压系数取1.3。参阅相关研究成果[3-4]，其中注浆浆液的水灰比是对注浆加固效果影响最大的因素，故首先对浆液水灰比的注浆效果进行模拟分析。取浆液水灰比分别为 0.6、0.7、0.8、0.9。相关试验研究表明，围岩注浆后其内聚力、内摩擦角、弹性模量均有所提升。为便于模拟分析，设定浆液水灰比为0.6 注浆后巷道围岩内聚力提高1 倍为C，内摩擦角增大8°为φ，弹性模量提高0.5 倍为E。水灰比为0.7、0.8、0.9 时，内聚力分别为0.9C、0.8C、0.7C，弹性模量和摩擦角同理。在原支护条件下及不同水灰比浆液注浆加固后巷道围岩塑性破坏情况模拟结果如图3（a）～（e），不同水灰比浆液注浆加固后巷道表面最大位移量如图3（f）。

图3 围岩塑性区分布及表面位移量变化规律

由图3 所示结果看出，未注浆条件下，顶板岩层塑性破坏深度达到3.0 m，帮部破坏深度3.5 m，底板破坏深度3.0 m。顶板及两帮围岩塑性破坏深度均已大于锚杆有效支护范围（顶板锚杆长度2.4 m，帮锚杆2.2 m），表明原有支护方案无法控制围岩的松动破坏，一定程度上证明了本次模型的合理性。各水灰比条件下注浆后，巷道围岩塑性破坏范围均有不同程度的减小。围岩塑性破坏深度与水灰比成正相关，随着水灰比的增大，顶板及两帮围岩塑性破坏深度增大。水灰比由0.6 增大至0.8，围岩塑性破坏深度及巷道表面变形量无显著增大；当水灰比由0.8 增大至0.9，巷道顶底板及两帮围岩塑性破坏深度均显著增大，且巷道顶板下沉量及底板底鼓量也明显增大，巷道围岩塑性破坏深度及巷道表面变形量在浆液水灰比为 0.8 时产生突变。浆液水灰比小于0.8 时，巷道围岩塑性破坏范围小，围岩稳定量较好，综合考虑经济等因素，确定注浆最佳水灰比为0.8。

4 注浆加固技术应用及效果分析

4.1 3101 底抽巷注浆加固方案

3101 底抽巷采用全断面浅孔注浆+深孔注浆联合加固方案。首先对巷道表面破坏部分扩刷、更换锚杆、锚索托盘，然后重新喷射C20 混凝土。采用锚杆钻机施工注浆孔，钻孔直径约42 mm，浅部注浆孔深度3.0 m，深部注浆孔深度7.0 m。采用埋孔口注浆方式，注浆管直径28 mm，浅部注浆管长约2.0 m，深部注浆管长约6.0 m。采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆由普通425 硅酸盐加水混合而成，水灰比0.8，水玻璃浆液浓度48～55°Be′，两种浆液比例约为1:1。浅部注浆孔每排6 个，深部注浆孔每排7 个，间距2.0 m，排距4.0 m，浅部、深部注浆孔交替布置，布置详情如图4。注浆时按“先浅孔，后深孔，先下后上，先帮后顶”的顺序施工，浅孔注浆压力控制在2～3 MPa，深部注浆压力控制在3～5 MPa。

图4 注浆孔布置示意图（mm）

4.2 注浆加固效果分析

3101 底抽巷采用上述方案注浆加固后，巷道表面位移量变化规律如图5。注浆加固40 d 后，顶板及两帮相对移近量趋于稳定，顶底板移近量稳定在45～62 mm 之间，两帮移近量稳定在70～85 mm 之间，均在工程设计误差允许范围之内。巷道围岩整体稳定，表面喷层无明显开裂，可认为加固方案支护效果理想。

图5 巷道表面变形规律

5 主要结论和建议

通过对沁水东大煤矿3101 底抽巷在原支护方案条件下围岩钻孔窥视，松动破碎深度约3.0 m，裂隙发育深度范围3.0～7.0 m，提出采用注浆技术加固围岩。经数值模拟分析表明，注浆加固可有效减小巷道围岩塑性破坏深度，提高围岩稳定性，浆液最佳水灰比约为0.8。现场应用后进行巷道表面位移监测，顶底板移近量最大值保持在45～62 mm，两帮移近量最大值保持在70～85 mm。注浆加固方案有效地控制了巷道表面的变形破坏，为矿井的安全高效生产提供保障。