回采巷道掘进过破碎带注浆加固技术研究

张 磊

（汾西矿业集团高阳煤矿，山西 孝义 032300）

随着矿井开采深度以及强度的增加，煤炭采掘活动受地应力影响更为显著。巷道开挖掘进后，围岩在地应力作用下破碎程度有所增加，尤其是在巷道掘进揭露断层或者受采动压力影响时，巷道围岩破碎程度更为显著，巷道围岩变形量加剧、支护难度增加。注浆加固是提高破碎围岩稳定性以及强度的重要措施，可改善围岩控制效果[1-3]。大量工程实践应用表明，采用金属支架或者长锚索支护可以在一定程度上控制破碎围岩变形，但是也存在巷道围岩后期变形量大问题。注浆可提高岩体强度，并改善支护体系中锚杆受力状态，从而提高破碎围岩控制能力。本文以山西某矿11203 工作面回风巷掘进为工程背景，针对巷道围岩破碎问题，提出采用注浆方式加固围岩的方案，现场取得较为显著的围岩控制效果。

1 工程概况

11203 工作面设计开采11 号煤层，煤层厚度平均为2.8 m，采用综采开采工艺。11203 回风巷为矩形断面（巷宽4.0 m、巷高2.8 m），采用综掘方式沿着煤层底板掘进，11 号煤层顶底板岩性均为砂质泥岩、粉砂岩。根据已有资料显示，11203 回风巷掘进至430 m时会揭露斜穿采面的F4 断层，断层落差介于6～10 m间，预计影响巷道掘进范围约48 m。巷道在掘进穿越断层影响区时存在围岩破碎问题，给围岩控制带来较大影响。具体掘进巷道与断层位置关系如图1 所示。

图1 掘进巷道与断层位置关系

为准确掌握巷道掘进至断层破碎带内围岩裂隙发育情况，采用钻孔窥视仪对巷道围岩进行探测[4]，具体获取到的浅部围岩破碎情况如图2 所示。从钻孔窥视结果看出，11203 回风巷浅部区域煤岩体破碎，发育有大量的走向、环向裂隙，同时裂隙纵横交错，甚至局部范围出现空洞、塌孔等情况，破碎围岩会显著影响回风巷稳定性。为此，提出采用注浆方式对围岩内空洞、裂隙进行充填，以改善围岩结构及力学性质。

图2 浅部围岩破碎情况

2 巷道破碎围岩注浆加固

2.1 注浆加固工艺

根据11203 回风巷实际情况，采用的注浆加固工艺为：注浆钻孔施工→安装锚索→锚索固定→加固注浆。采用气动钻机施工注浆钻孔，钻孔孔径为32 mm，注浆孔间间距为1 000 mm。锚索安装完成后，采用端头锚固方案将锚索端头锚固到顶板稳定岩层中；锚杆钻孔施工孔径为42 mm、锚杆钻孔间隔为1 000 mm。锚索以及锚杆钻孔施工完成后，取下锚索尾端的丝堵，并通过高压软管将锚索端以及高压注浆泵进行连接[5]；检测各个连接口是否存在泄漏情况，确保各处连接完好后，开启注浆泵进行注浆加固，注浆过程中应依据现场实际情况调整注浆压力。注浆过程中注浆材料应满足快速凝固以及流动性等需求，为此，注浆材料选择使用砂子、水泥以及石子混合物，三者质量比控制在2∶1∶1，这样在注浆期间既可满足流动性需要又可实现快速凝结。具体11203 回风巷内注浆钻孔布置如图3 所示。

图3 注浆钻孔布置示意图（mm）

2.2 注浆参数确定

破碎巷道围岩注浆加固效果与注浆压力、注浆钻孔孔深、单孔注浆量等密切相关，注浆参数是否合理直接影响注浆效果以及注浆安全性[6]。因此，依据11203 回风巷实际情况，在以往注浆参数设定的基础上，采用理论计算方法对注浆参数进行设计。

2.2.1 注浆压力确定

注浆压力直接影响注浆可靠性以及注浆效率，具体注浆压力可通过下述公式进行计算：

式中：p 为钻孔注浆压力，MPa；K 为压力系数，MPa/m；L 为注浆加固区域围岩松动深度，m。

根据11203 回风巷情况，取K=1.5 MPa/m、L=5.0 m，计算得到p=7.5 MPa。

2.2.2 注浆孔深

注浆深度直接影响钻孔注浆量以及注浆后围岩可靠性，注浆深度不足会导致注浆效果不佳问题，注浆深度过大则面临注浆耗时长、注浆量多以及注浆工程量大等问题，并影响注浆加固经济性。合理的注浆深度L1应大于巷道掘进时引起的围岩松动深度，具体可通过下述公式计算：

式中：r 为巷道半径，m；C 为巷道围岩地应力，MPa；p1为围岩抗压应力，MPa；p2为围岩支护反作用力，MPa；注浆期间忽略注浆压力，取值0；α 表示围岩内摩擦角，（°）。

根据11203 回风巷现场实际条件，取值r=2.0 m、C=2.5 MPa、p1=150 MPa、p2=0 MPa、α=30°，将上述参数带入到公式（2）中，即可求得L1=8.5 m。因此，将11203 回风巷围岩注浆深度控制在8.5 m。

2.2.3 单孔注浆量

注浆钻孔单孔注浆量Q 可通过下述公式计算：

式中：R 为注浆钻孔注浆浆液有效扩散区半径，m；λ为注浆浆液充填系数，无量纲；β 为注浆浆液消耗系数，无量纲；n 为注浆加固范围内围岩孔隙率，无量纲。

根据11203 回风巷现场实际条件，取R=1.5 m、λ=0.8、β=1.1、n=0.04，将上述参数带入公式（3），即可求得Q=2.1 m3。

3 巷道破碎围岩注浆加固效果分析

在11203 回风巷掘进通过F4 断层破碎带期间，间隔20 m 布置测点，对巷道顶板以及巷帮变形进行监测[7-8]。从监测结果可看出，巷道掘进过破碎带时，采取所设计方案进行注浆加固后10 d，围岩变形即趋于稳定，期间监测发现顶板、巷帮最大变形量分别为45 mm、37 mm，围岩变形量较小。同时巷道掘进过破碎带期间顶板有冒落或者冒顶等征兆，在现场取得了较好的注浆加固效果。

4 结论

1）11203 回风巷掘进通过F4 断层破碎带期间面临围岩稳定性差、破碎等问题。为确保巷道掘进以及后续使用安全，提出采用注浆方式对围岩进行加固，并依据巷道实际地质条件，通过理论计算方法确定钻孔最佳注浆深度为8.5 m、注浆压力为7.8 MPa、单孔注浆量为2.1 m3。

2）采用文中所提的注浆加固方案后，11203 回风巷在过断层破碎带期间，围岩在注浆加固10 d 后即趋于稳定，期间顶板、巷帮最大变形量分别为45 mm、37 mm，取得了较好的围岩控制效果。