强矿压弱结构围岩控制技术研究与应用

文/赵 浩

随着矿井开采向深部延伸，矿井开采强度不断增加，煤矿生产地质条件日趋复杂，复杂困难条件下的深部高地应力、强烈采动影响、松软破碎围岩巷道及特大断面巷道和硐室等所占比例越来越大，巷道维护困难已成为制约煤矿安全高效开采的瓶颈。因此，巷道围岩控制成为煤矿开采中亟待解决的关键问题之一。而保持巷道畅通与围岩稳定是巷道围岩控制的根本目的与任务。针对矿井高应力、围岩弱面结构、高泥质围岩特点，山东能源鲁西矿业集团单县能源公司采用“破碎围岩注浆加固+巷道分步掘进”的围岩控制技术，有效解决了高应力、大倾角软岩巷道围岩控制难题。

一、概况

单县能源公司3402轨道顺槽埋深-920～-960m，巷道断面形状为不规则矩形断面，巷道荒断面面积19.4m2，原支护设计形式为“锚+网+索”支护。工作面直接顶、底均为泥质胶结的粉砂岩，层面光滑，遇震动易冒落。由于巷道埋深大、围岩整体性差、原岩应力较高等原因，在原支护形式和施工工艺下，巷道变形严重，严重制约了矿井生产接续及安全生产。针对此问题，决定在3402轨道顺槽采用“顶板注浆加固+分步掘进”技术对围岩进行控制。

二、注浆加固技术

1.注浆加固技术作用机理

（1）压密作用。在浆液被压入的过程中，将对地层产生挤压，从而使那些无法进入浆液的细小裂隙或孔隙受到压缩、挤密，使地层密实性和力学性能都得到提高。

（2）充填作用。浆液凝结的结石将地层空隙充填起来，可以阻止水通过，提高地层密实性。

（3）黏合作用。注浆浆液的胶凝性质可以使已经脱开的岩块裂缝充填并黏合在一起，使其联合承载力得到提高。

（4）固化作用。注浆所使用的注浆材料可与地层中的粘土等松软物质发生化学反应，将其凝固成坚固的“类岩体”。

通过注浆加固，达到提高围岩整体性，改善围岩力学性能，增强围岩承载能力的作用。

2.注浆材料选取及注浆设备

（1）3402轨道顺槽顶板注浆选用直径22mm，长度2800mm的中空注浆锚杆，采用两块MSK2350型锚固剂进行锚固，并选用楔形塞进行注浆孔封堵。

（2）合理选用注浆材料是注浆成效的关键，也决定了注浆加固技术的经济合理性。注浆材料的选择要充分考虑以下因素：

①浆液粘度低、流动性好、可注性好，能较好地注入裂隙中。

②稳定性好，常温下不改变性质且无毒，不易燃烧。

③浆液凝固时间可以调控，当凝固时能够迅速完成。

④浆液固结时无收缩现象，固化后与岩石具有粘结性能。

⑤对注浆设备、橡胶制品的管路无腐蚀性，且容易清洗。

⑥注浆工艺简单，施工操作方便，安全可靠。

综合考虑3402轨道全顺槽地质情况及现场实际，注浆材料选用单液水泥浆，注浆水泥采用425#标号普通硅酸盐水泥。

（3）注浆设备选用XZS80/100单液浆泵。由注浆泵将定量配比槽中浆液通过主干管、软管、注浆锚杆连接器注至注浆锚杆中。

3.数值模拟确定注浆参数

注浆扩散半径决定了注浆工程质量和注浆施工进度。根据注浆加固地点实际地质情况与岩性分析，采用数值模拟分析的方法，选取不同水灰比（水灰比取1∶1、0.8∶1、0.7∶1、0.6∶1、0.5∶1五种比例）和不同压力下，注浆扩散半径的情况，并通过综合分析最终确定了水灰比浓度及注浆后终孔压力。

通过分析可知，注浆扩散半径随着注浆压力与水灰比浓度的增大而增大；注浆扩散半径在二者共同作用时，注浆压力影响相对较大。但压力达到一定值时，如注浆压力继续升高，注浆扩散半径受其影响呈下降趋势（注浆压力1～3MPa时，注浆扩散半径随着压力增大而增大；注浆压力超过3MPa时，注浆扩散半径受压力影响呈下降趋势）；水灰比配比（五种配比）在固定注浆压力值时（注浆扩散半径在压力作用下增长幅度达到峰值时的注浆压力为最优注浆压力，根据分析取3MPa）均能够向围岩破坏严重段，裂隙发育较充分处扩散。根据现场试验时注浆量及扩散半径等参数，当水灰比为0.7∶1至0.8∶1时充填裂隙最好。

通过综合分析与现场试验确定：注浆水灰比取0.75∶1，注浆压力取3MPa，注浆锚杆布置于原支护两排锚杆之间，注浆锚杆间距2m，排距1.6m，围岩较为破碎段注浆前先对顶板进行喷浆，作为起压垫，避免注浆过程中出现跑浆情况。

三、巷道分步掘进技术

由于深井软岩巷道两帮煤体松软破碎，如果巷道断面一次成型，在锚杆支护的过程中，巷道高帮会频繁发生片帮现象。为能够有效控制巷道高帮的片帮，可以采用分步开挖巷道断面的方法来控制巷道片帮。

对高帮进行分步开挖研究，开挖高度以中高来表示，并初步确定了四个分步开挖方案。

方案一：巷道高帮一次挖完，不分步开挖。

方案二：巷道中高开挖0.7m，台阶宽度为2.2m。

方案三：巷道中高开挖1.5m，台阶宽度为2.2m。

方案四：巷道中高开挖2.1m，台阶宽度为2.2m。

通过现场试验，方案四能够在确保巷道掘进单进及效率的情况下，分步开挖巷道高帮时，巷道围岩应力状态得到改善，高帮变形量明显减小，片帮情况明显减弱，尤其是高帮与顶板较近的位置，其片帮得到了很大程度的改善。

四、矿压分析

为了分析注浆加固和分步掘进后，巷道围岩变形情况，在采用注浆加固和分步掘进段设置了围岩观测站，每20m设置一个测站，在每个测站顶、底板和两帮中部各布置一个测点，每7天观测一次顶、底板和两帮相对移近量及相近移近速度。为尽可能真实地反映开挖条件下巷道围岩的变形特征，各监测断面均靠近施工迎头，随着巷道的开挖掘进，对巷道围岩变形情况进行实时监测。

通过对巷道围岩变形情况观测及分析可知：巷道采用注浆加固和分布掘进工艺后，巷道顶板、底板、帮部围岩变形曲线在20天左右逐渐趋于平稳，巷道变形量较采用该种工艺前明显减小，且变形量在合理区间范围内。由此可知，采用注浆加固和分布掘进工艺有效改善了围岩状态，提高了巷道承载强度。巷道表面位移量变化曲线如图1所示。

图1 巷道表面位移量变化趋势分析图

五、结论

深井不稳定煤层由于围岩稳定性控制难度大，顶板岩层稳定性差，抗压强度弱，且巷道围岩破坏具有时间效应明显、境感知敏感、受应力扰动影响大等特点，是煤矿开采向深部延伸时急需解决的支护难题。注浆加固技术有效提高了围岩承载强度，改善了围岩力学性能，提高了围岩的整体性，形成了承载结构，有效控制了巷道的变形。分步开挖巷道高帮时，巷道围岩应力状态得到改善，高帮变形减小，片帮减弱，尤其是高帮与顶板较近的位置，其片帮得到了很大程度的改善。“顶板注浆加固+分步掘进”技术对高地应力、弱面结构、破碎围岩支护具有一定的借鉴意义。