注浆加固工艺在掘进巷道中的应用研究

郭二鹏

（山西正诚矿山安全技术研究所，山西 晋城 048000）

煤炭资源在我国一次性能源消费结构中占有很大比例，在国民经济中具有不可替代的作用。随着煤矿开采水平的不断提高，制约煤矿发展的一系列技术难题得到了解决，但受煤矿开采深度和盖山厚度的增加、巷道断面不断增大、地质条件愈发复杂等诸多因素的影响，掘进巷道变形量大、变形快，常还未进行回采，巷道就发生严重变形，导致巷道无法使用的情况时有发生[1-2]。矿井巷道维护次数多，成本增加，同时也造成煤矿的采掘工作紧张，导致煤矿采掘比失衡，制约着煤矿高产高效的发展。因此，解决煤矿巷道变形、提高巷道使用寿命成为现阶段面临的重大问题。

1 东五东翼辅助运输巷变形原因分析

东五东翼辅助运输巷为采用锚杆、锚索一次性支护方式的矩形巷道，南侧为5303 工作面，该工作面为回采工作面。东五东翼辅助运输巷在掘进期间发生明显变形，变形严重区域的底鼓量达到1.5 m，两帮收缩量达到1 m。尤其在5303 工作回采完毕后，巷道变形量急剧增加，部分巷道底鼓量达到2.5 m。为了减少巷道的维护次数和费用，同时增加巷道使用寿命，通过现场勘察、地质力学参数测定等[3]，综合分析巷道变形原因如下：

1）应力影响。从煤层底板等高线图上分析，变形区域位于向斜轴部位置，水平应力大。

2）巷帮初次支护强度偏低。煤帮采用单体锚杆支护，支护强度和刚度不足。

3）煤柱尺寸留设偏小。辅运巷道与胶带巷之间的净煤柱为15 m，煤柱发生塑性破坏，变形量大，若再受回采动压影响，易出现整体塌方的危险。

4）巷帮煤体破碎，锚固力不足。巷帮锚杆多为整体外移，目前施工的帮部补强锚索锚固力达不到150 kN 的要求，因此应该先注浆，将围岩充填密实后，再进行锚索补强，否则围岩的裂隙或离层会影响锚索预应力的传递。

5）初次支护质量不过关。锚杆支护不成排，支护参数不统一。

2 巷道基本情况

2.1 巷道布置情况

井下位置及四邻采掘情况：5303 与5304 工作面中间位置共布置6 条巷道，由南至北依次是53033巷、东翼回风二巷、东翼回风一巷、东翼辅运巷、东翼胶带巷和53043 巷，其中仅有东翼回风一巷为顶板岩巷，其他均为煤巷。

煤柱尺寸：53033 巷与东翼回风二巷之间40 m（净煤柱35 m）、东翼回风二巷与东翼辅运巷之间35 m（净煤柱30 m）、东翼辅运巷与东翼胶带巷之间20 m（净煤柱15 m）、东翼胶带巷与53043 巷之间105 m（净煤柱100 m）。巷道布置图如图1 所示。

图1 巷道布置图

2.2 煤层顶底板条件

东五东翼辅助运输巷煤层顶底板条件如表1 所示。

表1 煤层顶底板条件

2.3 地质力学参数测试

晋控煤业寺河矿东五盘区地应力测量结果：

1）第一测站最大水平主应力为11.89 MPa，最小水平主应力为6.23 MPa；第二测站最大水平主应力为15.60 MPa，最小水平主应力为8.43 MPa；第三测站最大水平主应力为11.21 MPa，最小水平主应力为6.24 MPa。根据标准：0～10 MPa 为低应力区，10～18 MPa为中等应力区，18～30 MPa 为高应力区；大于30 MPa为超高应力区。由此判断测试区域地应力场在量值上属于中等应力区。

2）第一测点最大水平主应力方向为N80.2°E；第二测点最大水平主应力方向为N75.6°E；第三测点最大水平主应力方向为N83.8°E。

2.4 东五东翼运输巷围岩结构窥视

共窥视两组钻孔，每组钻孔分别包括1 个顶板孔和2 个帮孔，钻孔深度为10 m，共计6 个。第一组钻孔距8 号横穿口20 m，其结构如图2 所示，第二组钻孔距9 号横穿口15 m，结构如下页图3 所示。

图2 第一组钻孔结构图

图3 第二组钻孔结构图

根据第一组窥视孔可以看出，顶孔0～2.3 m 为煤层，裂隙发育；1.8～2.1 m 处为空洞；2.3～3.4 m 处岩层完整；3.4～3.6 m 岩层横向裂隙发育；3.7～5.4 m 岩层完整；5.4～6 m 岩层横向裂隙发育；6～7 m 岩层完整；7～7.6 m 岩层裂隙发育；7.6～9.5 m 岩层完整。右帮孔0～1.5 m 煤层破碎，内有裂隙；1.5～2.8 m 煤层完整；2.8～3.4 m 煤层裂隙发育；3.4～4.2 m 煤层完整；窥视到4.2 m 时孔塌。左帮孔0～1.7 m 煤层破碎，松软；1.8～4.6 m 煤层较完整；窥视到4.6 m 处时孔塌。

根据第二组窥视孔可以看出，顶孔0～2.0 m 为顶煤，煤层完整；2～5.8 m 岩层完整；5.8 m 处为横向裂隙；6.1～6.3 m、7.7～7.9 m、8.1 m 处岩层纵向裂隙发育；8.7～9.0 m 岩层破碎。右帮孔0～2.5 m 破碎，裂隙发育，有空洞；2.8～3.2 m 煤层横向裂隙发育；3.2～6.0 m 煤层完整；窥视到6.0 m 时孔塌。左帮孔0～1.1 m 煤层完整；1.1～1.6 m 煤层有空洞；2.3～2.5 m 煤层破碎；2.5～5.8 m 煤层完整；5.8～6.2 m 煤层破碎，裂隙发育，有空洞；6.2～9.3 m 煤层完整。

3 选择加固方案

巷道围岩控制通常可采取的方法包括：

1）架棚钢梁支护。破碎围岩巷道采取架棚钢梁配合锚网支护，提前对围岩进行预应力控制，一旦顶板或两帮发生围岩变形，将架棚钢梁支护应用于高应力环境中的围岩控制，钢梁的弹性变形增大，可以及时更换架棚钢梁支护。

2）注浆加固。围岩由于应力增大而遭到破坏，内部裂隙增多，巷道采用锚杆锚索金属网支护已不能满足需求，需要采用注浆加固的方法才能控制住围岩的继续变形。浆液注入围岩内部裂隙后，围岩已胶结，围岩内部裂隙减少，破坏的围岩经过浆液的胶结作用，形成了具有完整结构的连续整体，浆液胶结体具有足够的强度，可以有效阻止高应力对围岩的继续破坏，控制了围岩内部裂隙的继续破坏和发展，同时使破碎围岩的可锚性显著增强，为锚杆和锚索的再次锚固提供了基础。注浆后重新形成的煤体和浆液的结合体，在凝固后重新形成了具有足够强度的连续结构体，有利于锚固的同时，大大提高了加固质量和效果。

3）强力注浆锚索加固。该加固方案的目的是在底板破碎围岩恢复连续性后，对其施加强力的边界条件，使注浆后的底板围岩具有较强的承载能力，阻止围岩再次被破坏，确保加固后的巷道围岩稳定。

4 采取的控制措施

4.1 巷道掘进超前注浆

巷道在掘进前，利用ZQJC-150/3.0S 型风动钻机配套Φ69 mm 钻杆、Φ76 mm 钻头等钻具，向实体煤的顶板和两帮施工30 m 的超前注浆孔，采用联邦加固I 号（双液）注浆材料并配合注浆泵完成注浆[4]，从而保证巷道掘进期间的巷道成型效果。

4.2 改变支护方式

巷道掘进期间，顶板平整时采用钢筋网护顶，配合锚杆构件钢筋梯梁来维护顶板；当遇到顶、帮围岩条件不好、裂隙明显、维护难度大的情况时，采取架棚钢梁支护。

4.3 对巷道及时注浆加固

对巷道进行巷帮注浆：采用深浅孔结合的方法，浅孔主要为堵漏，深孔为高压注浆，注浆之前要对围岩进行窥视，确定围岩的破坏深度和破坏范围。

顶板注浆：同巷帮注浆。注浆完毕后，再施工锚索补强支护，提高张拉锚索预紧力水平。

5 注浆方案

东五盘区东翼辅运巷形状为矩形，设计尺寸巷高3.8 m，巷宽5 m，掘进断面积为19 m2。

5.1 超前注浆参数确定

在巷道掘进工作面迎头，注浆钻孔采用超深孔布置形式，钻孔采用顶板3 个孔、两帮各1 个孔的布置方式，顶板孔施工长度为30 m，在顶板下方1.0 m 处按45°向迎头左前方、右前方、中部各施工1 个孔，钻孔直径为42 mm；巷帮施工长度为20 m，在巷帮中部按45°向前方施工1 个孔，钻孔直径为42 mm。

5.2 巷帮加固参数确定

在巷道掘进工作面距离迎头0～20 m 范围内注浆。注浆时采取深孔与浅孔相结合的“三花”布置，距巷道底板1 m 处，浅孔施工长度为3 m，排距3 m，钻孔直径为42 mm；在两排浅孔中间施工深孔，深孔施工长度为8 m，排距3 m，注浆钻孔的布置如图4 所示。为防止串浆，尽量在下排钻孔注浆结束后再施工上排钻孔。

图4 巷帮钻孔布置图（mm）

5.3 顶板加固参数确定

在巷道掘进工作面距离迎头0～20 m 范围内注浆。注浆时采取深孔与浅孔相结合的“三花”布置，浅孔施工长度为3 m，排距3 m，钻孔直径为42 mm；在两排浅孔之间进行深孔施工，长度为8 m，排距3 m，注浆钻孔的布置如图5 所示。

图5 顶板注浆钻孔布置图（mm）

现场施工与瓦斯抽放孔的施工情况可进行局部位置调整，应尽量施工在空挡区域，且需与瓦斯抽放孔保持一定的安全距离。

6 注浆加固后的效果

经过一年时间的观察，采取注浆加固方案后有如下效果：巷道顶板下沉量被控制在0.3 m 以内；底板鼓起量被控制在0.5 m 以内，只需要在巷道底板不平整时及时用风镐对巷道底板进行平整就可以保证巷道的连续使用；巷道两帮移近量被控制在0.5 m 以内，不影响巷道的正常使用。