注浆加固技术在回撤通道破碎围岩维护中的应用

苏 波

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京100013）



注浆加固技术在回撤通道破碎围岩维护中的应用

苏 波1，2

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京100013）

针对酸刺沟煤矿6上105工作面推至距主回撤通道1～2m时，出现贯通侧煤壁大面积垮落，顶板整体下沉，工作面大面积来压，压死部分支架的情况，对6上107工作面主回撤通道采用GRT-101有机高分子聚合物作为注浆材料进行注浆加固，通过对浆液扩散半径、取芯结果、围岩强度、窥视结果、推采效果的观测，结果表明该加固方案能够保持顶板和煤壁的稳定，可有效防止工作面末采过程中出现冒顶和片帮事故。

注浆加固；回撤通道；破碎围岩；注浆效果

蒙陕地区综采工作面搬家多采用预留回撤通道的方式，随着采煤工作面逐渐向回撤通道靠近，剩余煤柱宽高比降低，煤柱逐渐进入全面屈服状态而失去承载的能力；采空区上方应力逐渐向回撤通道上方和外侧煤柱转移，导致回撤通道顶底板和两帮的变形大幅度增加。一般来说，当围岩比较破碎时，回撤通道失稳主要表现为两种形式:一种是局部性的顶板冒落，但通过处理仍然能够完成回撤工作；另一种是基本顶来压，导致工作面残余煤柱发生脆性破坏，破碎顶板将工作面支架掩埋，造成不可修复的破坏，回撤通道支护彻底失败［1］。

在破碎煤岩体中开掘或加固巷道，单独采用棚式或锚杆支护很难取得较好的支护效果，联合注浆加固技术是较为有效的途径［2］。化学注浆是将膨胀率低、可注性好、渗透能力强的有机高分子材料注入煤岩体中的细小裂隙或孔隙中，将破碎岩体固结，从而改善围岩结构，增加围岩自身承载能力［3］。巷道注浆加固可以提高破碎围岩的强度与整体性，改善其力学性能，增强破碎煤岩体在采掘过程中受动压影响时的稳定性，控制围岩变形与破坏，避免和减少破碎围岩造成的片帮、冒顶事故。此外，化学浆液还具有固化速度快且时间可调等优点，因此在工期紧张和临时性工程中得到迅速推广［4］。

酸刺沟煤矿原6上105工作面推至距主回撤通道1～2m时，出现贯通侧煤壁大面积垮落、顶板整体下沉、工作面大面积来压、压死部分支架的情况。本文以6上107工作面主回撤通道为例，采用GRT-101有机高分子聚合物作为注浆材料，对回撤通道破碎煤岩体进行加固，以保证工作面安全顺利地贯通。

1　项目概况

酸刺沟煤矿6上煤层倾角0～6°，煤厚7～12m，厚度变化较大，上覆砂质泥岩。工作面采用综合放顶煤开采，采高3.4～3.8m。由于回撤通道围岩节理裂隙较发育、煤体较破碎，因此当受工作面超前采动影响时，主回撤通道附近易发生片帮和冒顶事故，严重影响末采、搬家时间及工作面的安全。

从6上105工作面末采情况可以判断出:6上107工作面与主回撤通道在贯通前5m肯定会受到回采超前压力的强烈影响，易出现冒顶和片帮事故［4-6］。为了保证6上107工作面顺利回采，需提前对6上107综放工作面主回撤通道在原锚杆、锚索支护的基础上，通过化学注浆加固控制巷道顶板和煤壁的稳定。

2　注浆加固设计方案

2.1加固材料的选取

根据酸刺沟6上107工作面主回撤通道岩体强度较低，有较多细小裂隙，节理结构较发育、且工期紧张等原因，决定选用GRT-101有机高分子聚合物作为注浆材料。该材料是由体积相等的A，B两种有机高分子聚合物组成，需经充分混合发生一系列复杂的化学反应，生成对煤岩体具有较高黏性的有机弹性体后，经专用的注浆泵将混合后的高分子材料压注到破碎煤岩体内，可人为地改善松软破碎煤岩体的物理力学性能，在破碎煤岩体内渗透、膨胀、充满整个裂隙面形成网络骨架，起到补强加固、充填密实的作用。原本松散煤岩体粘结为整体，具有较强的抵抗采动应力破坏的能力。

2.2注浆加固工艺

注浆加固施工工艺包括:打孔、插管封孔、注浆等几道工序。工艺系统如图1所示。

图1　破碎煤岩注浆加固施工工艺系统

2.3技术方案

根据酸刺沟6上107工作面主回撤通道的煤厚、倾角、围岩结构、围岩物理力学性质、以及钻孔窥视的结果，确定在235m的范围内对回撤通道贯通侧、煤柱侧及顶部采取注浆加固的技术方案。

2.3.1注浆孔布置及封孔位置

注浆钻孔施工机具为锚索钻机和帮锚杆钻机，使用ϕ42mm钻头打孔，一次成孔，封孔器在孔内深度为2000mm。

回撤通道贯通侧帮部钻孔仰角15°，施工2排钻孔，钻孔深度 10000mm，上排孔距巷道顶板1000mm，下排钻孔与上排钻孔相距2000mm。上下2排孔呈三花眼布置，孔间距为4000mm。

煤柱侧帮部钻孔深度6000mm，其他同上。

回撤通道顶板钻孔仰角45°，施工2排钻孔，钻孔深度以钻探到煤层顶板为准，注浆孔距煤帮1500mm布置，注浆孔间距为 4000mm，排距为3000mm。注浆孔布置见图2。

图2　6上107工作面主回撤通道注浆孔布置

2.3.2注浆压力、注浆量及注浆时间

注浆压力过高将导致围岩发生新的破坏，压力过低不能保证浆液的有效注入，注浆压力控制在2～4MPa。单孔注浆量为100～150kg/m，单孔最大注浆量原则不超过200kg/m，若单孔吃浆量过大或长时间不升压，应采取间歇注浆方式，间隔时间不宜超过1min。遇到特殊情况，可根据现场情况进行调整。

注浆时间应根据注浆终压、围岩裂隙发育、钻孔吃浆量、浆液外漏等具体情况而定。

3　注浆工艺及调整

在施工过程中发现，对贯通侧上部钻孔进行注浆时，顶板的锚杆孔会漏浆，当压力升高时，煤柱侧的锚杆孔也会流出浆液，说明回撤通道节理、裂隙较发育，部分地段裂隙已贯通，在加大注浆压力的情况下，能实现浆液的延伸与扩展。从施工工期及工程实验的角度考虑，决定在剩余的100m巷道缩减注浆孔数量，每排从原来的6个孔，减为贯通侧的2个帮孔。同时必须对原先的注浆工艺进行调整，才能保证安全可靠。

3.1施工顺序

为了使浆液能够充分地注入到围岩各个层位中，保证注浆效果，采用 “由低到高”的注浆顺序。施工初期为满足该注浆顺序，主回撤通道两帮底部注浆孔采用 “间隔”施工，已完成总工程量的2/3。但由于施工巷道长度范围较大，造成设备反复搬移，大量增加辅助时间。按隔孔打钻的实际钻孔数量和沿巷道长度分布范围，每天在45～50m范围布置3台注浆泵，每台泵负责约15m范围，一次性接好风管和高压软管，省去拆接管时间。

3.2钻孔角度

为了使浆液进入贯通侧、顶板和煤柱侧的软弱结构面中，使之形成整体，提高顶、帮的稳定性，必须对仅剩的2个钻孔的工艺进行调整。一方面浆液在围岩内分布要均匀，另一方面贯通侧钻孔打设角度要便于施工，故对原钻孔角度进行相应调整，贯通侧底部注浆孔仰角15°不变；上部注浆孔仰角由15°调整为30°。全部钻孔孔口位置、钻孔深度、钻孔施工顺序等执行原设计。隔孔打完并完成注浆的区域，打设区段内第一次打孔时剩余的钻孔，一个区段完成后向下一区段转移。

3.3注浆压力

化学浆液属纯液态高分子材料，渗透力强，在适宜压力下可渗透到深部岩层微裂隙。原设计要求注浆压力控制在2～4MPa，本工程封孔位置较深，且使浆液要进入顶板和煤柱侧的裂隙结构中，现将贯通侧上部钻孔注浆终压调整到6MPa，下部钻孔压力不变，但风门等设施及靠近巷口区域应注意观察，不得因注浆量过大引起以上部位的破坏及围岩变形。

由于注浆压力加大，原锚杆、锚索孔漏浆现象较以前严重，处理漏浆处采用浆液凝固封闭钻孔堵漏外，必须加强漏浆钻孔的人工堵漏处理，对漏浆锚杆、锚索托盘周边，填塞棉纱、废布等各种含纤维质材料，适当等待材料凝固，堵塞漏浆通道后继续注浆。等待过程应每隔30s左右运行注浆泵1～2个行程，防止浆液凝固堵塞注浆孔及管路系统。

4　注浆加固效果

整个工程用时35d，注入浆料209.451t，打孔210个（由于串浆原因打废8个），实际有效注浆孔202个，其中方案调整前135m打148个钻孔注入浆料139t，用时27d；方案调整后的100m巷道，打54个钻孔注入浆料70.451t，用时8d。

4.1浆液扩散半径

扩散半径分为钻孔的横向方向和纵向方向两种，与煤岩体的发育情况、钻孔角度、注浆压力、施工经验等因素有关。本项目施工过程中，与注浆孔相距6m处的锚杆孔出现漏浆情况，说明在钻孔的横向方向浆液扩散距离达到6m，通过取芯和窥视结果看出，在钻孔的纵向方向扩散距离约2.5m，达到了设计要求的扩散半径，可以形成完整的网状骨架。

4.2取芯结果

选取典型吃浆量大和吃浆量小的注浆孔各1个，采取周边打钻取芯的方法，检验注浆效果，取芯孔孔径为89mm，孔深10m，取芯结果见图3。

图3　6上107工作面主回撤通道注浆后所取岩芯

从图3中可以看出，浆液将裂隙充填饱满、密实，浆液黏接效果好，浆液微量发泡，在确保加固效果的基础上，控制了材料成本。

4.3围岩强度

对上述取芯的两个钻孔进行围岩强度测试，其中吃浆量大的钻孔附近，围岩强度最大达到16.8MPa，最小为8MPa，平均10MPa以上；吃浆量小的钻孔附近，围岩强度最大12.3MPa，最小7MPa，平均10MPa以上。

可以看出，由于煤岩体发育情况及浆液的扩散作用，吃浆量大的钻孔已将浆液扩散至吃浆量小的钻孔处，所以两钻孔内围岩强度差异缩小，其强度达到了未受采动影响时煤体强度的80%（未受采动影响时煤体强度约为14MPa）。

4.4窥视结果

窥视结果如图4所示。可以大致看出裂隙的走向、浆液的充填效果、浆液扩散半径等重要参数。窥视结果表明:注浆后的煤岩体已被显著提高了物理力学性能，浆液在破碎煤岩体内膨胀、渗透、充满了整个裂隙面而形成网络骨架，起到了补强加固、充填密实的作用。

4.5推采情况

该回撤通道在末采期间，虽受到回采超前压力作用，但由于提前采用了化学注浆加固，未出现类似6上105面的冒顶和片帮事故，保证了工作面安全、快速的末采及搬家工作。

图4　6上107工作面主回撤通道注浆后围岩窥视结果

5　结 论

（1）6上107工作面主回撤通道围岩节理裂隙等结构面较发育，煤体强度低，通过化学注浆加固使得被加固煤岩体内裂隙被浆液充填饱满，加之浆液自身强度高，粘结力强，浆液和围岩共同作用形成承载整体。

（2）浆液在钻孔中的横向方向扩散距离达到6m，在钻孔的纵向方向扩散距离达到2.5m。

（3）在掌握现场围岩条件情况下，对加固设计在施工顺序、钻孔布置、注浆压力等方面进行调整，可以实现在不影响加固效果的情况下，加快施工进度，节约材料成本。

（4）浆液扩散半径、取芯结果、围岩强度、窥视结果、推采情况5种质量检测情况表明，酸刺沟煤矿6上107工作面主回撤通道的化学注浆加固设计是合理的。

［1］刘 勇，吕华文.注浆加固对回撤通道稳定性影响的模拟分析［J］.煤矿开采，2014，19（1）:52-55.

［2］康红普，冯志强.煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势［J］.煤矿开采，2013，18（3）:1-7.

［3］冯志强，康红普，杨景贺.裂隙岩体注浆技术探讨［J］.煤炭科学技术，2005，33（4）:63-66.

［4］吕华文.破碎煤岩体钻锚注加固技术研究［D］.北京:煤炭科学研究总院，2003.

［5］刘 勇.断层破碎带中巷道注浆加固设计与实践［J］.煤矿开采，2012，17（6）:56-58.

［6］马 冰.化学注浆加固技术在酸刺沟煤矿的应用［J］.西部探矿工程，2013（7）:110-115.

［责任编辑：林 健］

Application of Grouting Technology for Broken Surrounding Rock Maintain in Dismantling Tunnel

SU Bo1，2
（1.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Institute of Mining，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China）

Some problems appeared as 6up105 working face mining advanced to the main dismantling tunnel about 1-2m in Suancigou coal mine，which is about large area fall appeared in coal wall at transfixion side，roof fall totally，large area of working face roof appeared pressure，some supports were pressured，and then dismantling tunnel of 6up107 working face was reinforced by high-molecular polymer grouting material（GRT-101）.According test of grouting diffuse diameter，coring results，surrounding rock strength，peeping results and mining results，the results showed that the reinforcement scheme could keep roof and coal wall stability，roof fall and wall caving were prohibited during working face closure mining.

grouting reinforcement；dismantling tunnel；surrounding rock；grouting result

TD353.8

A

1006-6225（2016）04-0069-04

2016-03-02

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.018

国家自然科学基金委员会与神华集团有限责任公司联合资助项目（U1261211）；中国煤炭科工集团重点项目（2014ZD001）

苏 波（1980-），男，山西长治人，工程师，硕士，从事巷道支护及相关研究工作。

［引用格式］苏 波.注浆加固技术在回撤通道破碎围岩维护中的应用［J］.煤矿开采，2016，21（4）：69-72.