大跨度软岩顶板切巷注浆加固支护技术实践

王鹏飞

（山西焦煤霍州煤电集团吕临能化有限公司，山西 霍州 031400）

1 工程概况

庞庞塔煤矿701 工作面设计长度1330 m，开采煤层厚5.7～8.9 m，平均厚度7.2 m。煤层结构复杂，一般含夹矸3～5 层，夹矸厚为0～1.51 m，平均厚度0.72 m，煤层倾角为14°～18°，平均倾角15°。采用ZY1300-26-55 型两柱掩护式液压支架一次采全高综采技术。701 工作面地面标高1194～1307 m，工作面标高905～930 m，顺槽巷道为矩形断面，断面尺寸为宽×高=5.4 m×4.1 m，切巷尺寸为宽×高=9.3 m×4.0 m。701 工作面位置情况如图1。

图1 701 工作面位置示意图（m）

煤层直接顶为石灰岩，含有较高的泥质成分，节理发育，厚约16 m。煤层底板为砂质泥岩，平均厚度3 m。

2 存在的问题

2.1 发现问题过程

当7012 巷掘进至860 m 位置时，巷道顶板周围岩层出现风化并变很松软，煤体硬度降低、易碎，巷道顶板出现大量鼓包，新揭露顶板节理出现裂隙，产生离层现象。7011 巷掘进至1100 m 位置时，顶板出现了7012 巷的类似情况。分析其原因应该为工作面东侧的风氧带已影响到整个工作面。

在7012 巷道1310～1330 m 范围内施工巷道顶板岩性探测孔，用YTJ20 型顶板岩性探测记录仪进行记录。顶板向上0～2.2 m 位置为泥化岩层，强度非常低，泥化顶板岩层遇水可软化为泥浆；顶板向上2.2～6.0 m 位置为泥岩，裂隙较发育，有空洞现象；顶板向上6.0～12.5 m 为黑色泥岩，0～2 层硬质夹矸，硬度高；顶板12. 5～15.0 m 为砂质和砂岩，硬度中等。根据以上数据可知，701 工作面切巷顶板易破碎，为典型软岩顶板。

2.2 问题产生的原因分析

（1）巷道顶板岩层结构复杂多变。直接顶以泥岩为主，砂质泥岩为辅，且含有夹矸状黄泥，裂隙发育，局部出现空洞。

（2）锚杆和锚杆索锚固效果不佳，锚固力达不到设计要求。巷道顶板0～3 m 段，外表粗糙，呈深灰色，为黄色泥岩，顶板泥岩风氧化成发软、发潮不沾手的浅黄色残粘土，锚杆锚固剂与围岩之间界面粘结能力较弱，2500 mm 锚杆抗拉拔力基本上都小于18 kN，锚杆的锚固区失效；锚索孔成孔困难，塌孔和堵孔问题严重，锚索锚固失效。

（3）大跨度切巷围岩变形较大，支护更加有难度。切巷断面设计宽度×高度=9.5 m×4.0 m，属于大跨度大断面巷道，巷道中部张拉应力较大，巷道两帮顶角部位剪应力较大，巷道软岩本身抗压强度低，自稳能力差，来压快，变形大，容易引起周围破碎顶板的冒落。

3 巷道围岩强化及支护方案分析[1-6]

3.1 巷道围岩注浆加固方案设计

（1）注浆材料选择。切巷顶板为易破碎的软岩顶板，支护前需要先注浆加固顶板。注浆材料选择采用普通水泥-水玻璃双液浆，水泥材料为PO42.5级以上的硅酸盐水泥，水玻璃浓度为40～45 °Bé。水泥浆与水玻璃体积比为=0.2:1.0，水泥浆水灰比为0.9:1.0，注浆压力为0.2～0.5 MPa，注浆钻孔直径Ф32 mm，采用直径Ф42 mm 的钻头掏孔，安装专用封孔器进行封孔。

（2）注浆孔设计。按照超前预注浆流程，在切巷掘进面和扩刷侧顶板施工注浆钻孔，采用深孔-短孔组合方式，提高顶板注浆时的均匀性和平稳性。切巷顶板注浆孔设计如图1。掘进面区域的注浆孔按“三三”布置，左侧孔为Ф32 mm×4000（深）mm，孔角度30°，中间孔为Ф32 mm×（深）6000 mm，孔角度60°，右侧孔为Ф32 mm×（深）4000 mm，孔角度30°，间排距为2000 mm×3000 mm。扩刷区注浆孔采用深孔-短孔间隔布置方式，注浆深孔深度8000 mm，孔角度60°，注浆短孔深度4000 mm，孔角度30°，孔间距为2000 mm。顶板注浆孔设计如图2。

图2 切巷顶板注浆孔设计（mm）

3.2 巷道支护方案

切巷顶板设计采用“全锚索”支护技术，如图3。

图3 切巷断面支护设计（mm）

一次掘进期间，切巷顶板锚索使用Ф21.8 mm×10 300 mm 的钢绞线，托盘规格300 mm×300 mm×16 mm，“六六”布置，间距1000 mm，排距800 mm，充填K2335、Z2360 树脂锚固剂各2 支，锚索预紧力不小于200 kN，每排锚索架设W 型钢带（长5.3 m，每条钢带6 孔，孔距1000 mm）。帮部锚杆选用规格Ф22 mm×2000 mm 树脂高强螺纹钢锚杆，间距1500 mm，排距800 mm，“三·三”布置，充填K2335、Z2360 树脂锚固剂各1 支，锚杆锚固力不小于120 kN，待扩刷侧选用Ф22 mm×2000 mm 型玻璃钢锚杆。

二次扩刷期间，切巷顶板锚索使用Ф21.8 mm×10 300 mm 的钢绞线，托盘规格300 mm×300 mm×16 mm，“五·五”布置，间距9000 mm，排距800 mm，切巷顶板中部施工桁架锚索，锚索使用Ф21.8 mm×12 300 mm 的钢绞线配合槽钢，托盘规格300 mm×300 mm×16 mm，“二·二”布置，角度70°，间距2000 mm，排距800 mm，桁架锚索与普通锚索交替平行布置。

4 效果分析

4.1 注浆效果分析

一次掘进期间和二次扩刷前，累计施工注浆孔262 个，施工用时95 d，注浆水泥用量约153 t，注浆水玻璃用量约26.7 t。

（1）钻孔窥视。在701 切巷通尺25 m、40 m、61 m、80 m、100 m、150 m、205 m 处位置施工顶板注浆窥视孔，布置ZKXG30 矿用钻孔轨迹检测装置，注浆后钻孔窥视如图4。切巷顶板注浆后，浆液较好地注入到泥岩岩层的孔隙、裂隙和空洞之中，浆液硬化后与破碎泥岩形成整体；钻孔孔壁光滑，成孔效果好，注浆后可有效减少锚索孔塌孔和堵孔问题；浆液集中在顶板以上0.8～6.8 m 岩层中，注浆过程中，浆液主要沿水平方向扩散。

图4 注浆后钻孔窥视图

（2）锚索现场抗拉拔力试验。在切巷二次扩刷前，现场随机选择已施工的12 根锚索进行抗拉拔力测试。从测试数据可知，12 根锚索的拉拔力均位于255～315 kN 之间。由此可知，切巷顶板注浆后，锚索拉拔力达到设计承载载荷值，锚索锚固效果理想，保障巷道围岩的稳定。

4.2 巷道围岩变形规律分析

切巷巷道围岩变形量观测采用“十字”布点法，对切巷巷道顶板下沉量、底鼓量、顶底板移近量和煤帮鼓起量进行监测，监测结果如图5。

图5 巷道围岩变形曲线

在一次掘进期间共施工14 d 后，切巷巷道围岩变形情况整体上趋于稳定，顶板下沉量18 mm，底鼓量8 mm，顶底板最大移近量27 mm，煤帮鼓起量36 mm；二次扩刷期间，切巷巷道受二次采动影响，顶板跨度变大，巷道变形在扩刷后14 d，切巷巷道围岩变形再次趋于稳定，顶板下沉量44 mm，底鼓量21 mm，顶底板最大移近量69 mm，煤帮鼓起量58 mm。监测数据结果表明：701 工作面切巷软岩顶板采用注浆加固技术和顶板全锚索支护方案后，能有效控制巷道围岩的变形量，保障开采的安全性和可靠性。