巷道过采空区超前预注浆及围岩控制技术

温成亮

(山西焦煤西山煤电镇城底矿，山西 太原 030203)

巷道是煤炭开采工作面得以开展的基础，巷道安全高效掘进对提高矿井生产效率具有重要意义[1-2]。随着矿井采掘深度的增加以及范围的扩大，巷道掘进时遇地质构造、破碎带等的情形也会增加，在地质构造、破碎带内，掘进巷道时面临的主要难题是围岩裂隙发育，巷道掘进受到较大影响；而当巷道掘进过采空区时，采空区内冒落岩体分布无规则、破碎，巷道掘进期间面临顶板冒落、围岩变形量大等问题，容易出现安全事故[3-6]。注浆是提高破碎煤岩体稳定性以及承载能力的重要技术措施，通过在采空区巷道掘进范围进行超前加固，可为巷道掘进以及围岩支护创造相对良好的条件[7-8]。文中以山西某矿5503运输巷掘进过采空区为工程实例，提出通过超前注浆加固采空区内破碎岩体，并结合工字钢架棚、锚索以及表面喷浆等方式对巷道围岩进行控制，现场取得了较好的应用成果。

1 工程概况

5503运输巷设计掘进长度为1 595 m，设计掘进断面为梯形，净断面积12.3 m2(净高3.0 m，顶部及底部净宽分别为3.7 m、4.5 m)，沿着5号煤层底板掘进。5号煤层为矿井现阶段主采煤层，埋深均值260 m，煤层厚度5.0 m，顶底板岩性以泥岩、砂质泥岩以及粗砂岩为主，具体岩性特征见图1所示。

5503运输巷由于掘进深度较浅、地应力不显现，设计采用工字钢架棚支护。根据已有地质资料以及物探资料可知，5503运输巷在掘进至590～710 m范围内时会揭露小煤窑采空区，采空区内充填有冒落且分布不规则的砂质泥岩、粗砂岩且下部约有1.5 m厚的浮煤。5503运输巷在掘进过小煤窑采空区期间仍沿着5号煤层底板掘进，巷道掘进期间面临的主要难题是控制顶板破碎岩体稳定并减小巷道围岩变形量。

图1 5号煤层顶底板岩性图

2 超前注浆加固

2.1 注浆孔布置

5503运输巷过小煤窑采空区时在掘进迎头位置向顶板注浆，具体注浆钻孔布置见图2。在掘进迎头布置2排注浆钻孔，钻孔孔深均设计为8 m，其中上排钻孔3个，仰角12°，钻孔布置在距离顶板300 mm位置，两侧钻孔均距离巷帮300 mm，中部钻孔位于巷道中部；下排钻孔3个，距离上排钻孔间距1 000 mm，钻孔仰角统一为12°，两侧钻孔与巷帮间距均为300 mm且均外插12°，中部钻孔垂直迎头施工。通过注浆确定巷道掘进外轮廓线3 m以上范围内破碎岩体稳定(钻孔注浆有效扩散半径在2.0 m以上)。

图2 注浆钻孔布置示意(mm)

钻孔注浆加固完成后允许巷道掘进5 m，后在掘进迎头开始下一循环注浆，确保两个掘进循环间重叠有3 m的注浆加固区。

2.2 注浆加固材料及设备

现阶段矿井仓库存储加固材料有安固儿KDG以及水泥两种。为提高注浆加固效率并减少注浆加固对巷道掘进的影响，结合以往注浆加固的经验，决定在5503运输巷掘过小煤窑采空区时选择采用安固儿KDG加固材料，具体材料性能见表1。

2ZBQ-5/12双液注浆泵在煤矿井下注浆加固中应用较为普遍。注浆配套使用的注浆管长度为3 000～6 000 mm、管径1寸钢管，直径10 mm高压软管以及人字形三通混合器。具体掘进迎头注浆工艺见图3。

表1 注浆加固材料性能参数

图3 注浆工艺图

3 巷道围岩支护

1) 临时支护。巷道每掘进1 m即采用临时支护、架棚对顶板进行支护。在迎头距离顶板下方200 mm处，按照25°仰角向掘进面前方打眼并穿入小钢管对顶板岩体进行支护，钻孔按照250 mm间隔布置，孔深均为1 500 mm。每施工完一个钻孔后即穿入小钢管，避免钻孔塌孔导致小钢管插入困难。

2) 永久支护。5503运输巷过小煤窑采空区时采用金属网+架棚+锚杆(索)+表面喷浆方式构成永久支护方案，对围岩变形进行控制。围岩支护采用29U型架棚，棚梁、棚腿均由29U型钢加工而成，棚腿间采用螺栓卡缆连接；棚高3 000 mm，棚间距为500 mm，棚间采用拉杆(D16 mm钢筋)连接，在架棚后方原木背实。金属网紧贴巷道壁，避免顶板及巷帮矸石冒落。

在架棚间采用锚杆、锚索增强围岩支护强度，采用的锚杆、锚索规格分别为D22 mm×2 400 mm、D17.8 mm×6 000 mm，锚杆按照2-3-2间隔布置形式，间距分别为1 200 mm、2 400 mm，排距均为1 000 mm。在巷道中部按照2 000 mm间距布置1排锚索，具体锚杆、锚索布置见图4。在支护横断面上锚杆及锚索间均采用钢带连接；巷帮不布置锚杆。

由于采空区破碎岩体以砂质泥岩为主，为避免围岩风化，在架棚、锚杆(索)施工完成后即对巷道顶板及巷帮进行喷浆，喷浆厚度控制在200 mm，混凝土强度在C20以上。喷浆在一个圆班内完成，确保围岩暴露时间在24 h以内。

图4 顶板锚杆索布置示意(mm)

4 注浆加固效果分析

在3205运输巷过采空区期间采用超前注浆方式对破碎岩体进行加固，注浆浆液在采空区破碎岩体扩展后形成网络结构体，从而使得原本破碎、松散的煤岩体胶结为强度以及稳定性相对较高的整体，同时巷道掘进后围岩受力更趋平稳。巷道在采空区内掘进时，迎头未再出现漏顶、冒顶或片帮等情况;采用金属网+架棚+锚杆(索)+表面喷浆方式可实现巷道围岩有效控制，具体巷道掘进过小煤窑采空区现场巷道断面见图5。

图5 巷道现场

巷道围岩变形监测结果见图6。从巷道围岩变形监测结果得知，巷道围岩变形量整体较小，其中顶板下沉量最大为53 mm；左右两帮最大变形量分别为43 mm、69 mm。巷道底板主要为泥岩，强度以及承载能力较差，有一定底鼓显现，但是底鼓量最大仅为73 mm，底鼓不会对巷道正常使用造成影响。

图6 围岩变形量监测曲线图

5 结 语

1) 5503运输巷在掘进至590～710 m范围时会揭露小煤窑采空区，采空区内岩体破碎、分布无规则、完整性以及强度较低，巷道在此范围内掘进时面临较大的冒顶、围岩变形等问题。

2) 提出通过超前注浆方式对采空区内破碎、松散岩体进行加固，为巷道掘进及围岩控制创造良好条件。通过综合使用金属网、架棚、锚杆(索)及表层喷浆方式对巷道围岩变形进行控制。现场应用后，巷道在采空区内掘进时未出现冒顶、片帮、漏顶等情况，巷道围岩始终保持稳定。