玉溪煤矿进风井东部车场巷道注浆加固技术研究与应用

李俊标

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048200）

1 工程概况

山西兰花科创玉溪煤矿进风井东部车场沿3#煤层底板布置，3#煤层厚度4.62m～7.00m，平均5.71m，结构简单，节理裂隙发育。煤层直接顶为砂质泥岩，均厚4.66m；基本顶为中粒砂岩，均厚3.93m；直接底和老底均为砂质泥岩。巷道断面为直墙半圆拱形，掘进高度为4.65m，掘进宽度为5.7m，原有支护采用锚网索喷联合支护，锚杆采用Φ22mm×2400mm的左旋无纵筋螺纹钢，间排距800×800mm；锚索采用Φ21.8mm×7300mm的高强度低松弛预应力钢绞线，排距1.8m；喷射混凝土强度等级为C20，金属网采用φ6钢筋加工而成，网孔规格为150×150mm。

巷道掘进支护成型后1～6个月，巷道围岩变形严重，其中顶板最大下沉量为420mm，两帮最大收敛量为660mm，且存在着喷层大范围开裂，锚杆索破断的现象，矿方为了解围岩的破坏深度及裂隙发育程度，通过钻孔窥视进行围岩结构的观测，巷道围岩7.0m以内岩体均有大量纵横交错的裂隙发育，现拟采用注浆加固的方式控制围岩变形。

2 注浆加固机理

松软破碎围岩内进行注浆加固时，浆液在注浆压力的作用下进入到围岩内部裂隙中，并且随着浆液的凝固会对破碎围岩体形成胶结，使围岩形成一个完整、连续的承载体。另一方面，当注入破碎围岩内的浆液具有一定强度时，能够阻止围岩在高应力作用下产生原有裂隙的发育扩展[1-3]。

现为充分分析注浆对破碎围岩体的加固效果，依据进风井东部车场巷道的具体地质条件，采用UDEC数值模拟软件，建立长×高=200×81.1m的数值模拟模型，各岩层力学参数根据地质条件赋值，数值模拟中注浆材料参数根据水泥浆水灰比为0.6:1时测定的力学参数赋值，设置浆液的密度为1800kg，浆液的粘度为134 mPa·s[4-6]。通过数值模拟具体分析在单纯采用锚索支护时和注浆后采用锚索支护时围岩应力及塑性区的发育规律，以此得出注浆加固对围岩应力及塑性区的影响规律。

2.1 注浆对围岩应力的影响

根据数值模拟结果，能够得出注浆加固前后锚索支护下围岩垂直压力的分布，得出注浆加固前后采用锚索支护围岩垂直压力与至围岩表面距离的关系曲线，如图1所示。

图1 不同加固方式下巷道围岩垂直应力分布

从图1可以看出，注浆加固后的锚索支护，巷道浅部围岩的应力状态得到了有效的改善，应力得到了有效的提升，这能够表明注浆加固提升可浅部围岩的承载能力，增强其完整性。通过对比注浆前后锚索支护下围岩垂直应力分布，还能够看出注浆后，巷道围岩内部的高应力区域出现明显的降低，围岩内部的应力逐渐向浅部注浆后形成的承载壳体转移，有效防止了巷道深部围岩体的进一步破碎。

基于上述分析可知，破碎围岩体在注浆加固后，浅部围岩的结构得到有效改善，深部围岩的应力逐渐向浅部转移，增强了围岩的整体承载能力。

2.2 注浆对围岩塑性区的影响

根据数值模拟结果，能够得出在注浆加固前后采用锚索支护时围岩塑性区的发育规律，如图2所示。

图2 不同加固方式下围岩塑性区分布

比较图 2（a）、（b）可以看出，采用单纯锚索支护方式，巷道两帮和底板塑性区范围仍较大，顶板相对较小，左帮和右帮塑性的发育深度分别为2.4m，顶板及底板的塑性区发育深度分别为2.4m和3.2m；当破碎围岩注浆完成后打设锚索时，巷道两帮的塑性区均降低为1.2m，降幅达到50%，顶板的塑性区发育深度降低为1.6m，降幅达到33.3%，底板塑性区发育深度降低为2.4m，降幅达25%；且破碎围岩体在注浆加固后，围岩内未出现张拉破坏区域，这即表明注浆加固有效改善了围岩塑性区的发育范围。

3 注浆加固及支护

3.1 注浆方案

基于巷道围岩内部结构的窥视结果，为防止裂隙的进一步扩展发育，确定本次注浆采用深浅孔相结合的注浆方式，当注浆结束后进行全长预紧力锚索的安设。具体注浆及支护方案如下：

3.1.1 围岩浅孔注浆

1）注浆孔布置：注浆钻孔主要布置在巷道顶板及两帮，相邻两排注浆钻孔三花眼布置。注浆孔间距×排距=1600×2000mm，具体如图3所示。

2）注浆孔参数：钻孔参数为φ56mm×3000mm，底角钻孔向下倾斜15°布置，其余钻孔均垂直巷道表面布置。

3）注浆材料：水泥浆、水泥水玻璃双液浆，水泥采用525#普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度48～55Be'，（水 + 水泥）：水玻璃 =（0.375+0.625）：1。

4）注浆压力：注浆终止压力1～2MPa，为保障注浆效果，可具体根据注浆现场情况进行调整。

5）封孔方式：封孔采用麻绳+锚固剂的方式进行封孔，封孔长度为0.5m。

3.1.2 围岩深孔注浆

1）注浆孔布置：注浆钻孔主要布置在巷道顶板及两帮，相邻两排注浆钻孔三花眼布置。注浆孔间距×排距=1600×2000mm，具体如图4所示。

2）注浆孔参数：钻孔为 φ56mm×7000mm，巷道底角钻孔向下倾斜15°布置，其其余注浆钻孔均垂直于巷道表面打设。

3）注浆材料：注浆材料及配比形式同上

4）注浆压力：注浆终止压力4～6MPa，根据现场情况进行调整。

5）封孔方式：封孔采用麻绳+锚固剂的方式进行封孔，封孔长度为1.0m。

图4 帮顶围岩深孔注浆布置示意图

3.1.3 帮顶围岩支护

当深部注浆钻孔施工完毕后3d，针对巷道围岩补打全长预应力注浆锚索，注浆锚索参数为φ17.8mm×7300mm，锚索间排距为 1800mm×2000mm，底角锚索向下倾斜15°布置，其余锚索均垂直于巷道表面布置，具体锚索布置方式如图5；帮部底角锚索的锚固方式为全长锚固，锚索端部采用灌浆锚固，灌注水灰比为0.6:1的水泥浆，锚固长度为2000mm，并预留第二次注浆张拉预紧段，灌浆完成七天后进行水泥-水玻璃全长注浆。处帮部底角锚索外，其余锚索均端部采用树脂锚固，安装三支树脂锚固剂，两支Z2360和一支K2335型树脂锚固剂，锚固长度为1970mm，在树脂锚固完成1h后，锚索其余长度内进行水泥灌浆作业，设置灌浆的注浆终压为3MPa，锚索施工完毕后施加的预紧力为200kN，具体支护图如图5。

3.2 效果分析

在进风东部车场巷道注浆加固及全长注浆锚索支护完成后采用十字布点法进行巷道表面位移的监测，共计布置两个矿压监测站，测站之间的间距为100m，根据监测数据得出围岩变形曲线如图6所示。

图5 进风井东部车场巷道帮顶注浆锚索布置图

图6 巷道表面位移曲线图

分析图6可知，围岩变形基本集中在支护完成后0～70d，当支护完成大于70d后，围岩变形基本达到稳定状态，最终顶底板计两帮最大变形量分别为21mm和13mm，保障了围岩的稳定。

4 结论

根据进风井东部车场巷道原有支护下围岩变形情况，通过具体分析注浆加固前后锚索支护围岩应力分布塑性区发育规律，结合围岩内部结构的窥视结果，确定采用深浅孔注浆+预应力全长注浆锚索支护的围岩控制方案，方案实施后的巷道表面位移表明，围岩控制效果良好，有效解决了围岩变形量大的问题。