四通煤业五采区胶带巷围岩破碎区域注浆加固技术研究

马清泉

（山西焦煤汾西矿业四通煤业有限公司，山西 临汾 041000）

1 工程概况

山西煤炭运销集团四通煤业有限公司（四通煤业）五采区胶带巷位于+1020 m 水平2#煤层，盖山厚度546～632 m，煤层倾角3°～5°，平均倾角为4°，平均厚度3.2 m，巷道沿煤层顶板布置，围岩岩性特征详见表1。作为五采区各回采工作面运煤、进风、行人通道，五采区胶带巷东侧为2#煤层五采区52下01、2上101 回采工作面（均已回采结束），西侧为2#煤层五采区2504（正在回采）、2上107、52上02 回采工作面（已回采结束）。五采区胶带巷受采动和矿山压力影响，巷道变形严重，需对该巷道进行整修，确保服务期间的安全使用。

表1 五采区胶带巷顶底板岩性特征

2 五采区胶带巷原支护及矿压显现规律

2.1 五采区胶带巷掘巷支护及表面变形特征

五采区胶带巷与西侧回采工作面间停采保护煤柱宽度50 m，与五采区辅运巷间煤柱宽度30 m，掘巷阶段采用锚网索梁支护，顶板锚杆长2000 mm，直径22 mm，间排距800 mm×800 mm，最外侧锚杆与水平方向呈70°角布置，其余锚杆沿竖直方向与顶板垂直布置，配合钢筋梯子梁及单层菱形金属网护表；锚索索体为Φ17.8 mm×8300 mm 钢绞线，布置间排距为1250 mm×1600 mm，每排3 根，均沿竖直方向垂直顶板布置；两帮锚杆直径为20 mm，长度2000 mm，间排距700 mm×800 mm，两侧肩角处锚杆与水平方向夹角20°，其余沿水平方向垂直巷帮施工。具体布置如图1。

图1 五采区胶带巷原支护方案（mm）

2.2 巷道表面位移规律

为全面了解五采区胶带巷表面变形特征，在西翼2504 工作面末采阶段的对应巷段（五采区胶带巷里程220 m 处）布置测点，采用十字观测法监测巷道表面围岩相对变形量[1]。经过为期100 d 的现场实测，得到五采区胶带巷表面变形量变化规律如图2。监测的第40 天对应位置的2504 工作面停采，根据现场情况表明，五采区胶带巷表面主要变形特征为顶板下沉和停采煤柱帮内移。由图2 所示结果可知，监测的前20 d，此处受采面超前动压影响应该是较明显，变形增速较快；而在监测的第40 天以后对应2504 工作面停采，围岩变形速率有所减缓；监测100 d 时，两帮移近量累计达到317 mm，顶底板累计变形量达到294 mm，且围岩未趋于稳定，变形量持续增大。为保证生产和运输的顺利进行，必须尽快采取有效措施对变形区域巷道围岩进行加固。

图2 巷道表面变形规律

2.3 围岩损伤程度实测

为精确地探测五采区胶带巷围岩内部的岩性特征、裂隙发育情况[2-3]，采用CXK12(A)钻孔三维电视成像仪对围岩显著变形位置进行实测，测点布置在五采区胶带巷里程220 m 处。通过对巷道顶板、两帮施工钻孔，然后将摄像头送入钻孔内，观察钻孔岩壁的裂隙发育、破碎、岩性等特征，其原理如图3（a）所示，通过现场探查整理得到图3（b）所示结果。测试钻孔分别布置在巷道顶板中部、左侧肩窝（西侧，与水平方向夹角45°）、左帮、右侧肩窝（东侧，与水平方向夹角45°）、右帮。可以看出，巷道五采区辅运巷一侧表面围岩完整性较好，巷道左上方围岩深度0～2 m 存在明显的破碎区域，深度7～9 m 存在轻微破碎区，顶板岩层深度10 m 范围内存在较多的破碎区和裂隙发育区，浅部围岩破碎深度已大于2.4 m，已超出顶板锚杆的有效支护范围，顶板深度8～9 m 范围内围岩较为破碎，表明8.3 m 的顶板锚索未锚固在稳定岩层内，右侧帮部及肩角上部围岩浅部围岩破碎深度同样大于2.0 m。综上所述可知，五采区胶带巷顶板和靠近回采面一侧帮部围岩破碎较严重，原有支护无法充分发挥其性能，无法有效控制围岩的进一步破碎、变形。

图3 测试原理和结果（m）

3 五采区胶带巷注浆加固技术方案

五采区胶带巷现有支护条件下，围岩将持续变形破坏，如果只是破坏哪段修哪段，巷道维修多处于被动的巷道修复，通过砌碹、工字钢等方式进行支护，没有从根本上解决巷道的变形问题。巷道变形后，巷道围岩裂隙发育，大大降低了锚杆锚索的支护作用，砌碹、架设工字钢都是被动支护[4]，地质构造、采动、原有的支护方式不合理等才是造成巷道破坏的主要原因。砌碹、架设工字钢等都只是在巷道表面施加作用力，没有从根本上解决问题，后期还要面对频繁修复的难题，投入的人力和物力都是巨大的，将对正常生产造成持续影响。注浆加固作用和目的有两点：（1）巷道呈现出明显的破碎、裂隙，只有通过注浆浆液充填裂隙和破碎煤岩体，使围岩形成完整的整体，才能够提高其稳定性，提高其自身的承载能力；（2）巷道原有锚杆锚索表现出明显的锚固效能差的特征，通过注浆加固充填锚杆锚索与围岩结合部位的空隙，提高锚杆锚索与围岩的粘结力，从而提高锚杆锚索控制围岩的能力。

采用KMA-1 型超强矿用无机材料，具有比化学有机注浆材料便宜、强度高的优点，比普通硅酸盐水泥颗粒细，有利于进入细小的围岩裂隙，而且凝固快、不收缩、施工简单。KMA-1 型超强矿用无机材料与矿井水搅拌均匀后进行泵送，水灰比0.28:1，浅部注浆孔注浆压力1～2 MPa，深部注浆孔2～3 MPa（注浆时需认真观察表面浆液漏跑情况，当明显漏跑浆液时，即使未达到注浆压力，也应立即停止注浆）。顶板注浆孔采用“三二三”布置，深部注浆孔距巷帮1.0 m 处与顶板夹角70°向上开孔，孔深8 m，直径42 mm，排距1.6 m，采用注浆封孔器封孔，孔内封孔位置距孔口4 m。浅部注浆孔直径42 mm，间排距1.5 m×1.6 m，回采工作面一侧（右帮）布置注浆孔2 个，下排孔距底板1.4 m 处水平向下10°开孔，上排孔距下排孔0.7 m 水平向上10°开孔，孔深5 m，排距1.6 m，采用注浆封孔器封孔，孔内封孔位置距孔口4 m。采用锚杆机开孔，开孔直径42 mm，孔内封孔位置可根据现场具体情况做出合理调整。钻孔布置参照注浆孔布置图如图4。注浆作业完成后，对巷道断面扩刷至原断面，对未失效的锚索重新张拉、锚杆重新预紧，失效破断的锚索、锚索重新搭设安装。

图4 注浆孔布置示意图（mm）

4 加固效果考察

五采区胶带巷返修段注浆加固后，巷道表面围岩稳定，十字交叉法监测结果表明，顶底移近量最终稳定在50 mm 以下，两帮移近量稳定在70 mm以下，整体稳定性良好。为期30 d 的监测得到其离层值变化曲线如图5 所示，顶板岩层离层值前期随着时间累积呈增大趋势，加固返修约20 d 后，深部离层值趋于稳定，返修25 d 后，浅部离层值稳定，顶板深部岩层最终离层值为3 mm，浅部离层值10 mm，顶板岩层离层主要表现为浅部离层，占总离层值的76.92%，顶板整体离层值微小，且主要集中在注浆加固后20 d 内。总体而言，顶板岩层稳定性良好，能够保障五采区胶带巷围岩的长期稳定。

图5 顶板离层量变化规律

5 结语

通过对四通煤业2#煤层五采区胶带巷原有支护条件下巷道表面变形量监测，发现巷道受到西翼回采面影响后，表面变形主要表现为顶板下沉及保护煤柱帮内移，巷道表面持续变形直至失稳破坏。通过钻孔窥视表明，巷道顶板及停采煤柱一侧帮部围岩破碎较严重，现有锚杆、锚索支护构件无法有效控制围岩的失稳破坏。提出采用KMA-1 型超强矿用无机材料进行注浆加固，设计具体的注浆参数及工艺，加固返修后，顶板离层量微小，表面无明显变形破坏现象，注浆加固效果良好。