浅埋复合顶板巷道过构造围岩控制技术

郭小将

（汾西矿业安全监察中心，山西 介休 032000）

0 引言

随着矿井采深不断增加，巷道围岩控制受地质构造、软弱围岩、高应力以及复合顶板等问题影响更为突出，实现巷道围岩有效控制、减少围岩变形量并避免顶板冒落是巷道掘进及后续使用期间需要解决的重点问题[1-2]。复合顶板巷道在顶板支护难度加大，顶板容易出现离层量大、变形量甚至冒落等问题，特别是复合顶板巷道掘进遇地质构造时，导致顶板稳定性更差、裂隙扩展，进一步增加围岩支护难度。提升复合顶板岩体自身承载能力、稳定性是实现巷道围岩高效控制的措施之一[3-5]。3506 运输巷道掘进区域内地质构造复杂，为实现巷道围岩有效控制，提出采用注浆方式加固复合顶板并通过表面喷浆封闭巷道表面裂隙、提高护表强度，现场应用后实现了巷道围岩有效控制。

1 工程概况

3506 运输巷位于该矿井南部三采区，巷道设计掘进距离2 360 m，采用EBZ250 综掘机沿着5 号煤层底板掘进，巷道设计断面为矩形，净宽4 500 mm、净高3 100 mm。5 号煤层为主采煤层之一，埋藏深度为190 m，厚度为2.6～3.7 m，倾角为2°～8°，具有赋存稳定、发热量高等优点，开采经济效益较好。3506运输巷顶板为典型复合顶板结构，顶板下部岩层较为松软、上部岩层承载能较强。5 号煤层直接顶为炭质泥岩、泥岩及砂质泥岩互层，厚度均值为1.3～5.6 m，结构呈块状；基本顶为粉砂岩，厚度为4.23 m；直接底为泥岩，厚度为3.7 m，灰色，承载能力较差。

根据邻近采面回采揭露以及现有地质资料显示，3506 运输巷在掘进期间会揭露多条落差在1.2～3.5 m断层，在断层影响区会导致巷道围岩破碎，增加围岩控制难度。为实现3506 运输巷围岩有效控制，提出采用围岩注浆、表面喷浆方式对围岩进行支护。

2 巷道围岩加固技术方案

3506 运输巷顶板为复合顶板，容易风化，加之掘进区域存有断层等地质构造，增加围岩控制难度，若采用以往的架棚、喷浆及锚杆支护方式，虽然可实现围岩控制，但面临架棚变形严重、支护效率低以及成本高等问题[6-9]。根据现场情况，提出采用注浆方式加固巷道破碎围岩并对表面进行喷浆（厚度100 mm以上）实现及时封闭，避免围岩风化并提升围岩表层支护强度。

2.1 围岩支护参数

3506 运输巷在地质条件正常情况下，采用锚网索喷对围岩进行控制，由于巷道埋深较浅，地应力对围岩控制影响较小，支护参数仅需控制复合顶板围岩变形即可。具体顶板及顶板支护参数见表1 所示。

表1 锚网索支护参数

3506 运输巷采用锚网索支护完成后，C25 混凝土进行护表，喷射厚度100 mm，采用的围岩支护措施在地质条件正常阶段可满足巷道围岩控制需要，但是当掘进遇到地质构造时，受到地质构造、围岩破碎等影响，容易出现变形量大、冒顶等问题，影响巷道掘进安全，这就需要采用注浆方式对破碎围岩进行加固，减少围岩松动范围。

2.2 围岩加固

3506 运输巷围岩加固起点为掘进至构造影响范围前10 m，注浆加固终点为掘进过构造影响区后10 m，确保构造影响破碎区围岩通过加固后，承载能力及稳定性明显增强。

2.2.1 围岩加固模拟分析

依据3506 运输巷现场条件，采用UDEC 软件构建模拟模型，对构造影响范围内巷道围岩注浆加固前后变形情况进行分析，构建的模型长、宽分别为120 m、45.5 m，煤层及顶底板岩性参数见表2 所示。

表2 煤层及顶底板岩性参数

UDEC 模拟仿真结果见图1 所示，从图1 中可直观看出注浆前后巷道顶板出现明显变化；注浆前巷道顶板由于承载能力较差、裂隙发育，导致出现严重变形，甚至出现垮落情况；注浆后顶板稳定性及承载能力均明显提升，顶板仅有较小变化。具体监测得到注浆前后巷道围岩变形情况见表3 所示。从模拟情况以及围岩变形监测情况得知，3506 运输巷采用注浆加固后，顶板及巷帮稳定性均会显著增强，不仅可避免复合顶板垮落下沉问题，还可降低巷帮、底板变形量，实现围岩变形有效控制。

图1 围岩变形模拟结果

表3 围岩变形量 单位：mm

2.2.2 钻孔施工参数

具体巷道注浆钻孔布置见图2 所示。

图2 围岩注浆钻孔布置图（单位：mm）

1）顶板加固钻孔。在构造破碎带影响范围巷道顶板每排布置3 个注浆加固钻孔，中间钻孔布置在巷道中线位置、垂直顶板施工，两侧钻孔与巷帮间距均为0.8 m 且均有65°外插角，注浆孔排距均为2 m。布置的顶板钻孔孔深均在5.6 m 以上，以便实现直接顶全覆盖加固，注浆孔孔径统一为40 mm。顶板注浆分2次进行，首先进行靠近巷帮位置的一次钻孔注浆，后对巷道中线位置的二次钻孔注浆，避免注浆浆液在注浆压力作用下出现穿孔问题，提升顶板岩体注浆加固效果。

2）巷帮加固钻孔。在构造影响区内巷帮煤体破碎，为提升巷帮注浆加固效果，巷帮注浆钻孔布置成上下两排，上排钻孔与顶板间距为1 m、仰角为10°；下排钻孔与上排钻孔间距1 m，垂直巷帮施工。巷帮钻孔排距为2 m，钻孔孔径统一为40 mm。钻孔孔深统一为5 m。为避免钻孔注浆是出现穿孔问题，注浆钻孔分2 次钻进、注浆，先完成巷帮一次钻孔注浆，后再进行二次钻孔注浆。

2.2.3 注浆材料及参数

注浆材料选用联邦加固1 号，该材料为双液注浆材料，具有早强、渗透性强、快凝以及结石率高等优点，注浆材料胶结时间、胶结强度可调。现场注浆时浆液水灰质量比控制在0.8∶1，扩散效果及胶结效果可满足现场注浆需要。注浆材料混合后，失去流动性时间、完全固化时间分别为1～3 min、5～15 min，混合8 h 后黏结强度达到2 MPa 以上、抗压强度达到12 MPa 以上。

现场注浆时将注浆压力控制在4～6 MPa，在注浆期间密切关注顶板、巷帮注浆情况，避免注浆压力过大引起喷浆层开裂。注浆结束以注浆压力达到上限或者注浆量不再增加为准。

3 现场应用效果

在3506 运输巷过地质构造时采用注浆方式对顶板、巷帮进行加固后，对构造破碎带影响范围内的巷道围岩变形情况进行持续监测，具体监测结果如图3 所示。

图3 围岩变形监测曲线

对巷道围岩注浆加固期间，巷道表层喷浆层未有开裂情况，同时顶底板、巷帮变形分别控制在135 mm、37 mm 以内，巷道围岩变形量较小，可满足后续使用需要。

4 结论

1）3506 运输巷为复合顶板，在掘进过程中遇构造破碎带时容易出现围岩变形量大、冒落等风险。为此，提出采用注浆加固方式对巷道复合顶板、巷帮进行加固，提升构造破碎带围岩承载能力、稳定性，维护巷道围岩稳定。

2）采用UDEC 软件对注浆加固前后巷道变形情况进行分析，发现注浆可显著降低围岩变形。依据巷道现场情况设计注浆加固方案，在顶板及巷帮均采用分次注浆方式，可提升注浆效果并避免注浆期间出现浆液穿孔问题，同时注浆期间未出现表面喷浆层破裂情况。现场应用后，3506 运输巷顶底板、巷帮变形控制在135 mm、37 mm，围岩较为稳定，实现了复合顶板破碎带围岩的有效控制。