矿井深部大变形巷道注浆加固技术应用

叶东生

（陕西陕煤澄合矿业有限公司，陕西 渭南 714000）

陕煤西固煤业公司-120 m 水平主运输大巷（以下简称大巷）随矿井开采水平延伸及密集巷道布置、21 采区回采结束等影响下，巷道上部岩层应力重新分布，围岩结构受到破坏，造成局部巷道底板出现不同程度的底鼓、顶部浆皮大面积离层、巷道变形量难以控制等问题，严重影响矿井正常生产及物资运输效率。针对该大巷350～520 m 段现状，在原有注浆施工经验的基础上，通过分析变形巷道上部围岩的破碎带范围后，决定采用深孔注浆加固+锚网支护的组合支护技术。应用表明，该技术顺利解决大巷变形量大、影响正常安全生产的问题。

1 工程概况

大巷为矿井主运输大巷，全长1 095 m，承担着矿井人员运输、物料运输、排水等功能。巷道主要层位为细粒砂岩与泥质砂岩，采用直墙半圆拱断面，锚网索喷支护形式。巷道规格为：净宽×净高=5.6 m×4 m，喷层厚度100 mm，底板基础深度100 mm，喷砼强度C20。受21 采区回采结束，巷道上部岩层应力重新分布，围岩结构受到破坏影响，目前350～520 m 段局部巷道顶底板及帮部均出现整体变形收敛，变形量平均500 mm。巷道底鼓及顶部浆皮离层现象普遍，局部离层浆皮直径达到500～800 mm，造成锚网支护体外露锈蚀，个别锚杆出现端部被岩层错断及锚索锁具脱落等支护体失稳、失效现象。巷道底鼓量达到平均500 mm，局部甚至达到1 200 mm，呈现出“中高两低”的三角形状。巷道的整体变形及离层浆皮、失效支护体严重威胁着人员安全及矿井运输、生产组织等工作的正常进行。

2 注浆技术特点

注浆加固技术在井工煤矿及隧道等工程中对巷道围岩破碎、顶板管理困难、岩壁渗水等施工起到了改善巷道围岩条件、控制围岩变形、增强巷道围岩稳定性及巷道支护强度、减少围岩裂隙、降低淋水量等作用。主要技术特点有以下三点：

1）充填围岩缝隙。在浆液充填进巷道围岩裂隙凝结后，提高破碎围岩的胶结程度，当巷道围岩出现变形或应力加大时，浆液固结体的胶结能力和韧性起到支撑作用，调动围岩体的整体抗压强度，抑制围岩应力对支护体的破坏[1-4]。

2）提高主动支护强度。巷道围岩的破碎岩体经注浆加固后，松散岩体经过浆液的充分填充及胶结，岩体内部裂隙减少、滑移受限，提高巷道围岩的整体性，进一步增加锚网支护体锚固端锚固面积及长度，进一步增强锚网主动支护的“组合拱”作用，抑制巷道围岩在应力作用下产生大面积变形，实现巷道支护体稳定、围岩变形量小的目标。

3）切断裂隙水联通。巷道围岩受裂隙水的长期侵蚀，使岩石的力学性质发生根本性改变，特别是在泥岩、砂质泥岩等具有膨胀性的岩体中，造成巷道围岩承载能力及整体性变差。通过注浆加固可充分填充围岩裂隙，切断水力联系，降低裂隙水对围岩的侵蚀及弱化，增加围岩整体性及支护体系的恒定性。

3 注浆工艺

3.1 注浆材料

注浆采用以水泥浆为主，水泥型号为425#普通硅酸盐水泥，发现漏浆时采用水泥浆及水玻璃双液浆。注浆管采用φ25 mm 的一般焊接管加工，注浆管长度3 m，一端车丝长度不小于50 mm，另一端自端头至1.2 m 范围打8 个φ14 m 小孔（小孔在管壁环绕中心成螺旋状均匀布置，小孔间距100 mm）。

3.2 注浆设备

注浆施工采用2TGZ-60/210 型煤矿专用双液注浆泵，该设备缸径为60 mm，活塞行程210 mm，注浆泵工作压强最小值为2 MPa，最大值为8 MPa，活塞往复次数有四个速度，可随意改变排浆量和注浆压力，能有效地扩大浆液的充塞半径。

图1 2TGZ-60/210 型煤矿专用双液注浆泵

3.3 施工工艺

本次注浆采取浅孔注浆及深孔注浆相结合的方式进行施工，施工前首先对注浆区域顶帮浆皮离层处进行处理，确保施工安全后，方可开始注浆施工。

（1）钻孔施工顺序。按照“由下向上、先帮后顶”的原则施工注浆孔。

（2）钻孔参数。由于巷道围岩在长期高应力作用下裂隙较为发育，根据施工经验，浆液扩散半径取为1 m；注浆孔设计孔径38 mm、浅孔深度1.5 m、深孔深度4 m，浅孔注浆孔排距2 m、间距2 m，深孔注浆孔排距3 m、间距2 m，浅孔与深孔呈“三花”状交替布置（遇浆皮离层严重或壁后空洞区较大时，可适当调整注浆孔位置），注浆设计断面如图2 所示。

图2 注浆设计断面

3.4 注浆工序

安装注浆管→注清水试验→制浆→注浆→对下一个注浆孔注浆→停机清洗→卸除球阀。其中：

（1）安装注浆管：注浆管装入孔后外露长度不超150 mm，不小于50 mm，之后在端头安装直径25 mm 球形截止阀，并在孔口使用麻绳及编织袋配合封孔胶对注浆孔0～0.5 m 进行封堵，眼口四周使用水泥进行摸封，确保注浆时浆液不泄露。

（2）注清水试验：在搅拌桶内放入适量的水进行试验，检查注浆泵、管路连接及球阀等方面是否存在问题。

（3）制浆：开灌浆水灰比采用0.7∶1，当压力不回升而吸浆量增大时，再进行调整，水玻璃比1∶1～1∶0.5，在搅拌桶中放入定量的水，逐渐加入水泥，搅拌机均匀搅拌10 分钟即可，并在放浆口处设置过滤网，以防结块水泥等杂物吸进浆管内，注浆浆液配制比例如表1 所示。

表1 注浆浆液配制比例

（4）注浆：注浆开始后压力持续上升，浅孔终压不得大于2 MPa，深孔注浆终压不得大于4 MPa，单孔达到设计压力，并持续10 分钟不吸浆，即可停机开启泄压阀后才能换注浆孔。

（5）停机冲洗及拆除球阀：注浆结束后在搅拌器中加入一定量清水冲洗注浆泵及管路，并至少6小时后方可拆除球阀，拆下的阀门要及时冲洗干净，然后涂抹机油备用。

3.5 工艺要点

（1）注浆时必须观测孔周围巷道及井壁变化情况，发现井壁鼓出时要立即停止注浆，发现漏浆时，要根据现场情况调整浆液浓度及使用水泥浆、水玻璃双液浆，如持续漏浆应立即停止注浆查明原因，打开泄浆阀，查明情况，妥善处理。

（2）浆液浓度现场配制，搅拌浆液不早于注浆前20 分钟。

（3）制作水泥浆液时，必须首先对水泥质量进行检查，发现失效硬块水泥不得投入使用，水泥浆必须充分搅拌均匀，符合设计水灰比。

（4）所有注浆管路接头必须使用标准的U 型卡，高压管的强度符合要求。

（5）注浆泵必须安装压力表，无压力表监测控制严禁注浆。

（6）当达到规定注浆压力时，持续10 分钟即停止注浆，等待时间必须超过6 个小时以上方准拆除孔口截止阀。

（7）停机顺序为先关闭注浆泵，再关闭注浆管端头处阀门，然后打开卸压阀进行卸压后方可卸下U 型卡，取下注浆管路进行处理。

（8）注浆间歇或注浆结束必须冲洗注浆管路。

（9）注浆期间，作业人员不得少于4 人，并有专人负责详细记录注浆孔号及注浆量，并填写注浆记录。

4 应用分析

4.1 注浆材料消耗

大巷350～520 m 段注浆加固工程共施工注浆孔345 个，注浆水泥使用量236 t、水玻璃20 t。

4.2 注浆施工分析

（1）注浆前期为掌握浆液在孔内扩散情况，首先施工巷道下帮肩窝位置注浆孔，经过预注试验发现，在注浆期间浆液向帮部扩散量较小，在压力达到2 MPa 幷持续3 分钟后，浆液向巷道顶部扩散；同时，由于巷道顶部岩体离层较为严重，导致注浆孔上方1 m 范围跑浆量大，需采取加大注浆配比至2∶1，调整注浆泵流量，采取注3 分钟停20 秒的间歇注浆措施，跑浆现象基本得到控制。

（2）在处理巷道浆皮离层、预埋注浆管后，对巷道顶部注浆期间相邻的注浆孔跑浆严重，可判断位于巷道顶部的相邻的注浆孔存在裂隙导通，为减少相邻注浆孔之间跑浆情况，采取处理离层浆皮后，首先对离层范围进行薄喷、区域性预埋注浆孔，采用分段注浆、交叉换孔的施工方式，跑浆现象才能得到彻底控制。

4.3 矿压监测分析

通过对大巷350～520 m 段注浆加固后，进行了为期60 d 的表面位移监测，巷道表面位移监测曲线如图3 所示。对图3 分析发现，大巷350～520 m段注浆加固60 d 后，顶底板移近量控制在150 mm以下，变化速率在25 d 时达到8 mm/d 后逐步降低，50 d 后趋于稳定； 两帮移近量控制在230 mm以下，变化速率在7 d 时达到12 mm/d 后逐步降低，30 d 后趋于稳定。表明巷道在注浆加固后，围岩裂隙得到充分填充，围岩力学性能得到改善，承载能力明显增强，证明该注浆加固方案科学有效。

图3 巷道表面位移监测曲线

5 结语

西固煤业公司大巷采用 “深孔+ 浅孔注浆加固”技术后，巷道围岩大幅度变形情况得到改善，在注浆60 d 后，巷道顶底板移近量处于150 mm以下，两帮移近量处于230 mm 以下，围岩承载能力明显增强，巷道变形量得到有效控制；应根据围岩不同岩性及破坏程度，合理选择注浆参数，主要有水灰比、注浆压力、注浆时长、验证浆液扩散半径等。“深孔注浆加固”技术成功应用，充分说明在矿压影响下巷道围岩出现松软、破碎、顶帮离层等现象时，注浆加固效果良好，且具有施工工艺简单、可靠，现场应用效果显著、适用性广等特点。