叠加应力区失稳大巷注浆加固技术研究

范建峰

（山西晋煤集团赵庄煤业，山西 晋城 048000）

大采高工作面具备推进速度快、产量大等优势，逐渐在各大矿区推广应用[1-2]。但同时由于工作面采高、产能较大，对矿井大巷和工作面回采巷道的运输和通风能力要求有所提高，增加了巷道的断面大小以及巷道数量[3]。巷道断面的增加在一定程度上增大了巷道的支护需求，特别是巷道布置数量的增加，容易造成周围应力叠加，巷道围岩在叠加应力的作用下发生屈服破坏，降低锚杆锚索支护效力，从而影响巷道围岩的稳定。注浆加固技术可通过在破碎煤岩体内注入浆液，重新固化、胶结破碎煤岩体，提高巷道围岩承载能力，重塑锚杆锚索支护载体，从而有效控制围岩变形[4-5]。赵庄煤矿为大采高工作面，其多条盘区大巷受复杂应力影响出现底鼓、煤柱变形的现象，严重影响大巷的安全稳定性。因此，有必要对叠加应力区的失稳大巷展开注浆加固治理，维护大巷稳定，保证大巷安全服务矿井。

1 大巷破坏原因及控制技术分析

赵庄矿东五盘区东翼布置东五盘区东翼胶带巷、辅运巷、回风一巷和回风二巷等四条盘区大巷，分别承担该盘区工作面的运输及通风任务。其中，东翼胶带巷与5303 工作面之间布置了东翼辅运巷、回风一巷和回风二巷，回风一巷为布置在煤层顶板中的岩巷。具体巷道布置如图1 所示。

从图中大巷布置方式可以看出，大巷群与5303、5304 工作面为平行布置的空间关系，在工作面回采至大巷时会受到其侧向支承压力的影响。由于大巷布置数量多、距离较近，在受工作面采动影响时，巷道群的存在改变了围岩应力分布规律，其应力分布将会叠加，互相影响。同时，由于东翼胶带大巷与辅运巷距离近、煤柱窄，煤柱在叠加应力条件下屈服，大巷之间发生贯通破坏，造成东翼胶带大巷破坏最为严重。加上大巷支护不当等原因，使得东翼胶带巷、辅运巷和回风二巷三条大巷的3号～21 号横川范围内，出现不同程度的底鼓、煤柱屈服等变形现象，影响矿井安全生产。其中东翼胶带巷破坏最为严重，急需进行维护治理。

图1 大巷布置及空间位置关系

综合以上分析可以得出，大巷发生严重变形破坏的主要原因是相邻巷道间叠加应力相互影响及回采工作面侧向支承压力。随着5303 和5304 工作面的重复采动，大巷破坏程度可能会进一步增加。因此，在对大巷加固治理时，还应加强巷道的支护强度，使得后期工作面临近大巷时，能够保证大巷稳定，即在注浆加固的基础上对大巷进行补强支护。

2 注浆加固及补强支护方案

2.1 注浆加固方案

2.1.1 注浆钻孔布置

注浆加固过程中主要对巷帮和底角进行注浆治理，以期控制巷道两帮变形和底鼓，也为后期补强支护提供有效载体。其中，在大巷两帮施工注浆钻孔进行注浆，底角使用中空锚杆进行注浆。

钻孔布置图如图2 所示。大巷两帮各施工两排钻孔，呈“三花”布置，上排钻孔开孔高度2.5 m，孔间距4.0 m，钻孔仰角约5°，孔深8.0 m，孔径42 mm；下排钻孔开孔高度1.5 m，孔间距4.0 m，钻孔垂直于巷帮，孔深8.0 m，孔径42 mm；两帮底角各施工一排钻孔，孔间距2.0 m，俯角45°，孔深3.0 m，孔径42 mm，采用直径28 mm 的中空锚索进行注浆。

2.1.2 注浆材料选择

考虑到注浆加固的时效性和围岩可注性，注浆材料选用晋煤集团研发出的高性能联邦加固双液材料。该材料由双组分无机矿粉组成，材料浆液具备较好的流动性，能够深入煤岩体微小裂隙。单液在24 h 内不发生凝固和沉淀现象，两种浆液混合后能够在3～10 min 短时间内凝结、固化，具体时间可以根据工程需求调整。材料水灰比可以在0.6～1.5:1 范围内调整，以满足不同工程对强度的需求。该材料在不同水灰比条件下的性能参数见表1。

图2 注浆钻孔布置示意图

表1 高性能注浆材料性能参数

在注浆过程中，采用双液气动注浆泵和搅拌桶，以适应井下特殊施工要求。注浆系统设备连接示意图如图3 所示。正常注浆时，材料水灰比控制在0.8～1.0:1 之间，注浆压力控制在6～8 MPa，存在漏浆现象时适当降低水灰比和注浆压力。

图3 注浆系统设备连接

2.2 补强方案

在对大巷进行注浆加固后，还需对巷道进行二次补强，以期提高巷道支护强度，保证巷道后期安全服务。采用对大巷补打锚索的方式进行补强支护，在大巷原有支护的基础上，两帮每排补打3 根Ф22-5300-1 型锚索，巷帮上、下部锚索均距顶底板0.4 m，锚索排距1.0 m；顶板每排补打3 根Ф22-7300-1 型锚索，排距2.0 m。补强方案布置如图4所示。

图4 补强锚索布置

3 治理效果考察

为对注浆加固后的大巷进行效果考察，对大巷表面围岩变形进行监测。采用十字布点法对破坏最为严重的东翼胶带进行围岩变形观测，共布置5 个测点，分别对巷帮和顶底板移近量进行观测。选取典型3 号测点观测数据进行分析，其结果如图5 所示。

图5 大巷围岩变形量及变形速率曲线

从图5 中可以看出，大巷经过注浆加固后，其围岩变形量得到有效控制。其中，两帮移近量明显小于顶底板移近量。注浆加固后时间延长至18 d 左右时，围岩移近速率明显得到放缓，之后围岩变形量趋于稳定。注浆加固80 d 后两帮和顶底板移近速率降低至0.5 mm/d 和1.0 mm/d 左右，并仍呈下降趋势。这是由于注浆加固后的前期阶段，注浆材料固结体强度较低，围岩变形速率较快，但随着材料强度的增长，巷道承载能力逐渐得到提高，其变形速率持续降低并趋于稳定。以上观测结果及分析表明，经过注浆加固和补强支护后，大巷围岩稳定性明显得到提高，能够达到安全服务矿井的需求。

4 结论

（1）结合大巷布置方式及现场破坏方式，分析了大巷变形破坏原因，即大巷之间叠加应力相互影响和工作面采动的侧向支承压力造成大巷围岩失稳，提出注浆加固和补强支护相结合的控制技术。

（2）参考工程地质条件设计了注浆加固方案，采用高性能注浆材料对大巷进行了注浆加固治理，在提高围岩承载能力的基础上，对巷道进行补强支护。

（3）经过注浆加固治理后，大巷两帮和顶底板移近量逐渐趋于稳定，移近速率稳定在1 mm/d，稳定性得到明显提高，满足其安全服务需求。