弱胶结软岩巷道变形破坏特征及注浆加固试验

任 强，罗波远，张 闯，周 凯，于凤海，惠永岗

(1.鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266000)

我国煤炭资源分布不均，北多南少，西多东少，煤矿开采重心逐渐转移至内蒙古等西部地区，内蒙古地区软岩地层较多，其胶结性差，强度较低，遇水容易泥化，给巷道支护造成了很大困难[1-3].

由于弱胶结软岩巷道强度较低，其本身的结构性导致无法与硬岩变形特征相适应[4-5].针对弱胶结软岩的巷道破坏特征，孟庆彬、乔卫国等[6-7]通过试验及现场监测的手段，揭示了弱胶结软岩巷道矿压显现规律，指出围岩遇水软化、支护不合理等是巷道变形的主要原因。赵增辉、王渭明等[8-10]通过建立弱胶结软岩巷道围岩模型总结了巷道围岩变形规律。

同时，针对此类围岩条件的支护研究也取得了一定进展。王渭明等[11]在分析巷道围岩变形破坏原因的基础上提出了锚网索耦合支护方案；郝育喜等[12]针对沙吉海煤矿巷道大变形情况提出恒阻大变形锚杆+钢筋网+混凝土喷层+恒阻大变形锚索+底角注浆锚管的支护方案。同时锚网喷架支护结构、二次锚网喷+预应力锚索等技术，新型聚合物喷层等支护方法[13-15]也被应用于弱胶结软岩巷道的支护中，并取得较好的现场效果。

本文以某矿11301辅运顺槽为研究对象，通过现场观测巷道围岩变形破坏情况，分析巷道变形特征，并在此基础上确定合理的支护补强措施，对巷道变形进行控制，保证安全回采。

1 工程地质概况

某矿首采工作面为11301工作面，煤层厚度约为4.2 m，埋深为460 m.布置方式为双巷掘进，共掘4条巷道，分别为11301辅运顺槽、11301胶运顺槽、11301回风顺槽及11302回风顺槽，具体工程情况见图1.

图1 现场工程图

11301辅运顺槽为3.6 m×5.2 m的矩形，根据地质钻孔得到11301辅运顺槽附近岩层柱状图(图2)，其中砂质泥岩强度较低，承载力差，遇水易泥化，单轴抗压强度平均为18.45 MPa，属于弱胶结软岩。

图2 岩层柱状图

11301辅运顺槽采用锚杆+锚索+锚网联合支护，开采帮采用d20 mm×2 400 mm玻璃钢锚杆，非开采帮采用d20 mm×2 400 mm螺纹钢锚杆，间距均为800 mm，顶板锚杆采用螺纹钢锚杆，间距为700 mm，锚索只在顶板布置，布置方式为“3-2-3”，长度为7.3 m.开采帮和非开采帮分别采用钢筋网和塑料网。巷道具体支护图见图3.

图3 巷道支护断面图

2 弱胶结软岩巷道变形特征

针对11301辅运顺槽巷道变形破坏情况进行现场调研，具体巷道破坏形式见图4.

图4 11301辅运顺槽顶板破裂形态图

由图4可知，巷道顶板整体下沉较为严重，在非开采帮附近变形尤为剧烈，顶板锚杆随岩体下沉而伸长，锚固作用效果不佳。同时在开采帮和非开采帮靠近顶板的肩部均出现一定程度变形鼓出。根据11301辅运顺槽附近煤岩分布及工程地质特性分析，巷道整体顶板下沉主要原因为巷道顶板弱胶结砂质泥岩分布较多，导致巷道顶板强度不够，承载力较低，容易出现破裂及离层等破坏现象；巷道顶板在两肩处下沉更为剧烈可能是由于巷道形状等因素影响，导致巷道两肩处于应力集中位置，同时巷道超宽导致锚索不能有效进行顶板控制。

11301辅运顺槽顶板下沉严重，影响正常回采，甚至存在塌冒风险，因此针对该顺槽的顶板补强控制也尤其重要。调研发现11301辅运顺槽顶板裂隙较多，且容易出现破裂带，未进行补强之前对巷道顶板进行钻孔电视探测，具体破裂分布见图5.

图5 顶板岩层破裂分布示意图

针对巷道顶板较为破碎、破裂带分布较广的特点，对11301辅运顺槽顶板进行注浆补强支护,以对顶板弱胶结岩石进行固结，提高顶板整体承载力[16-18]，发挥锚杆、锚索对顶板的控制作用，相比较于其他锚索单柱等补强手段能够更加有效控制顶板下沉变形。

3 注浆加固试验研究

3.1 注浆区域

根据现场观测11301辅运顺槽顶板下沉破坏情况，结合注浆施工相关要求，选择注浆区域在一联巷和二联巷之间，见图6.由于顺槽顶板围岩岩性较差，注浆压力达到一定值时才能起到好的效果，因此，为防止注浆过程中发生顶板塌冒，注浆试验段选择在单体补强支护区域。此处顶板沿非开采帮开裂形成破裂带，采用单体支柱加顶梁补强支护。

图6 注浆区域示意图

3.2 注浆方案设计

注浆支护设计要求注浆浆液扩散半径相交，考虑到顺槽顶板破坏状况、裂隙分布特征、巷道断面尺寸、浆液扩散半径及注浆压力等因素，采用浅部多孔、深部少孔的钻孔布置方式。其中，浅部钻孔间排距为1.25 m×1.25 m，孔深3.0 m；深部钻孔间排距为2.6 m×2.6 m，孔深5.5 m，具体注浆孔设计图见图7.

图7 11301辅运顺槽注浆钻孔布置图

3.3 顶板注浆支护效果评价

采用钻孔成像技术对顶板岩层浆液分布情况进行探测分析，结合锚索支护效果进行注浆试验支护效果综合评价。

1)顶板浆液分布特征。

通过钻孔电视对顶板进行钻孔窥探，观测注浆效果。钻孔探测孔应在巷道顶板进行分散分布，具体钻孔位置见图8，位于巷道顶板中部。

图8 探测钻孔布置位置图

通过钻孔成像可以清晰观测到浆液充填离层破裂区，见图9.

图9 1#探孔钻孔成像截图

钻孔探测后顶板浆液分布见图10.顺槽中部顶板岩层离层破裂较为严重，砂质泥岩层中裂隙、离层较多；注浆后浆液分布区域主要集中于顶板岩层1.5～5.0 m，该范围亦在孔口管端部与注浆钻孔底部；但顶板上方1.5 m范围内的浅部岩层可见浆液相对较少，分析原因可能是孔口管封堵效果不好，注浆压力达不到设计要求，不能有效填充密实离层破裂。

图10 注浆试验段顶板浆液分布示意图

整体上浆液充填效果较好，能够将大部分裂隙及离层充满，提高顶板整体完整性。

2)注浆后顶板锚固质量。

注浆过程中，浆液沿锚杆、锚索杆体流出，对锚杆(索)杆体与钻孔缝隙进行了封堵，等效提高了锚杆(索)的锚固长度，从而提高锚杆(索)的极限拉拔力。因此，对注浆区域锚索进行拉拔试验，测试其拉拔力情况，从而间接对注浆效果进行评价，顶板锚索拉拔力测试结果见表1.

表1 注浆区锚索拉拔力统计表

由表1可知，3组锚索在拉伸量为0时迅速达到拉拔力设计值，锚固质量有所提升。拉拔力平均值为245.7 kN，整体来说，巷道顶板锚固质量在注浆后有所提高。

4 结 论

本文在分析11301辅运顺槽工程地质特征的基础上，分析了巷道顶板破坏特征并提出了注浆补强加固技术，得到的结论如下：

1)通过对11301辅运顺槽进行现场调研，发现巷道顶板整体呈现下沉破坏特征，在顶板肩部下沉程度尤为严重，巷道两帮靠近顶板处也发生一定程度鼓出；顶板破裂区分布较多，易发生破裂离层导致巷道变形严重。

2)针对11301辅运顺槽的破坏特征及支护方式，对该顺槽340—390排锚杆位置处采用浅部多孔、深部少孔的钻孔布置方式进行注浆加固补强，每个断面打3个注浆孔，分别位于顶板中部及巷肩处。

3)利用钻孔探测及锚固质量等手段对11301辅运顺槽注浆加固段进行支护效果评价，得出注浆后在顶板中部起到了充填离层破裂区效果，但顶板上方1.5 m范围内的浅部岩层可见浆液相对较少，注浆后锚固效果相较之前有较好提升。