店坪煤矿淋水顶板巷道超前注浆加固技术

贺丽敏

（云厦工程建筑有限公司，山西 霍州 034400）

1 工程概况

店坪煤矿9-205 综采工作面位于9#煤层830 m水平南翼2 采区，9#煤层厚2.6～3.2 m，均厚2.8 m，工作面范围内煤层、煤体结构较稳定，含有两到三层夹矸，夹矸多为砂质泥岩，厚度为0.2～0.45 m。煤层倾角1°～5°，属于近水平煤层。煤层顶板为砂岩，底板为砂质泥岩，具体顶底板岩性情况见表1。

目前在掘进9-2052 巷，主要担负着9-205 回采工作面的运输、回风、行人等任务。9-2052 巷沿9#煤层顶板掘进，设计全长1392 m，巷道设计为矩形断面，净宽4.4 m，净高2.8 m。巷道顶板上方主要含水层为石炭系山西组石灰岩岩溶裂隙含水层，由三层灰岩及1～3 层中粗砂岩组成，石灰岩裂隙较发育，单位涌水量在0.009～0.078 L/s·m 之间，渗透系数在0.054～0.271 3 m/d 之间。受煤层开采影响，冒落裂隙带发育，掘进过程中顶板出现裂隙淋水，对围岩及锚固结构的稳定性影响较大，围岩变形严重，维护困难。因此，需采取超前预注浆技术对巷道已探明的富水区域进行预注浆加固。

2 巷道破坏机理分析

通过现场观测及室内岩石力学试验分析得出，造成9-2052 巷围岩变形破坏的主要原因在于：（1）巷道直接顶为泥岩，岩性较软，且泥岩的矿物成分多为高岭石及蒙脱石，遇水极易发生膨胀变形，直至崩解，导致围岩强度降低；（2）巷道掘进时，应力扰动导致围岩裂隙进一步扩张发育，加重了水的流通，导致围岩环境进一步恶化；（3）矿井水多呈酸性，经裂隙流动经过锚固区时，会对锚杆体造成腐蚀影响，并弱化锚固剂的锚固性能，从而导致锚杆支护失效。

3 超前注浆工艺[1-6]

3.1 注浆设备及材料

本次注浆采用矿用双液型注浆泵，注浆管为铝塑材料，考虑现场顶板泥岩软化及破碎程度，注浆单孔的孔深设置为10 m。

为保证注浆效果，选用水泥混合水玻璃作为浆液。该混合浆液具有渗透性强、凝结速度快、凝结强度高等优势。其中水泥选用工业42.5R 型水泥，水玻璃的模数取值为2.8～3.1 之间。

3.2 浆液配比及注浆压力

浆液的配比具体为水灰比及水玻璃掺量，可根据测试不同配比条件下的凝结块体强度来确定合理的配比方案。强度测试中，共设置4 组块体，水灰比分别为0.5、0.75、1 及1.5，其抗压强度测试结果见表2、表3。

由表2 可知，在水灰比相同的条件下，掺有水玻璃的浆液块体抗压强度普遍高于纯水泥浆液块体，且凝固周期短，早期强度也较高。掺有水玻璃时，水灰比为0.75:1 及1:1 时的效果较好，其最终抗压强度分别为13.8 MPa 及11.5 MPa。考虑到工作面岩层的渗透性及施工条件，确定采用1:1 的水灰比混合浆液。

表2 水灰比对抗压强度的影响

表3 为水泥浆与水玻璃不同体积配比下的浆液试件强度测试结果。由表3 可知，经过28 d 的养护后，试件均达到最终强度。水灰比均为1:1 的情况下，水泥浆与水玻璃体积比为1:0.4 的浆液试件强度为15.6 MPa，体积比为1:0.5 的浆液试件强度为16.7 MPa，体积比为1:0.6 的浆液试件强度为15.9 MPa。三种比例下的浆液试件抗压强度相差不大，但当体积比低于1:0.6 或高于1:0.4 时，浆液试件的强度会呈现大幅度的降低，注浆效果差。因此混合浆液合适的水泥浆及水玻璃体积配比应为1:0.4～1:0.6 之间。

表3 不同水泥与水玻璃体积比下的抗压强度

基于以往煤矿巷道注浆实践经验，煤巷围岩注浆压力一般1～3 MPa 之间，当注浆压力高于3 MPa时，会引起围岩劈裂破坏，加重了顶板的破碎程度，并导致浆液漏失。因此，本次注浆的初始压力应保持在0.8～1 MPa 之间，浅孔注浆压力为2.5 MPa，深孔注浆压力为3.0 MPa。

3.3 注浆孔布置

根据现场实际情况，在巷道掘进面正头布置超前注浆钻孔，共布设9 个钻孔，并依次进行编号为1#～9#。为使浆液充分扩散，注浆孔采用三角形布置，即上排布置5 个孔，下排布置4 个孔，相邻孔间距均为1000 mm。为达到注浆预加固的目的，1#～5#注浆孔的仰角为15°，6#～9#注浆孔的仰角为10°；同时，1#、5#、6#、9#注浆孔与掘进方向呈15°夹角向顶板外扩散，2#、4#、7#、8#注浆孔与掘进方向呈10°夹角向顶板外扩散，3#钻孔则平行于掘进方向。具体布置方案如图1。

图1 注浆孔布置方案（mm）

3.4 注浆量

注浆量可通过下式计算：

Q=π·R2·L·z·α·η（1）

式中：Q为单孔注浆量，m3；R为浆液扩散半径，根据选用浆液性质，取5.5 m；L为注浆孔孔深，取10 m；z为巷道围岩的裂隙密度，取0.07；α为浆液充填率，取0.85；η为浆液漏失率，取1.3。

通过计算得出单孔的注浆量为73 m3，则9 个孔的总注浆量为657 m3。

3.5 注浆结束标准

为使得注浆效果达到预期目标，需使得每个孔注浆时的终孔压力达到要求，浆液才能完全扩散并充填围岩裂隙。一般终孔压力达到2～3 MPa 时，可结束注浆，也可在注浆泵流量稳定在11 L/min 并持续25 min 后停止注浆。

4 支护效果分析

为分析评价围岩控制方案的效果，采用十字布点法对注浆段巷道围岩的变形进行监测，监测结果如图2。

图2 巷道表面位移监测曲线

由图2 可知，巷道掘进通过顶板富水区初期，监测点的围岩变形于30 d 后趋于平稳，其顶底板最大移近量约为40 mm，两帮最大移近量约为32 mm，围岩变形量较小，满足矿井安全生产需求。说明该方案可以较好地隔绝含水层裂隙水，加固破碎顶板，同时保证锚固结构的支护作用，取得了良好的围岩控制效果，保证了矿井的安全生产。

5 结论

（1）通过现场观测及室内岩石力学试验分析得出，造成9-2052 巷围岩变形破坏的主要原因在于：巷道直接顶为泥岩，遇水易发生膨胀变形，导致围岩强度降低；同时裂隙发育导致酸性矿井水流经锚固区，腐蚀锚杆体及锚固剂，从而导致锚杆支护失效。

（2）通过理论分析及配比试验，确定出合理的浆液水灰比为1:1，水泥浆与水玻璃体积比应为1:0.4～1:0.6 之间，并对注浆压力及注浆孔布置等参数进行设计。

（3）对注浆加固段的围岩位移情况进行监测分析，结果表明：巷道顶底板最大移近量约为40 mm，两帮最大移近量约为32 mm，围岩变形量较小，控制效果显著。