山西某煤礦巷道圍巖注漿加固技術研究

張 鵬

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454100； 2.山西小回溝煤業有限公司，山西 太原 030400)

山西某煤礦為建設礦井，煤層頂底板多為復合巖層，巖石較為破碎。礦井區域對應地面山嶺起伏，厚度變化大，礦井一水平大巷西翼埋深超過700 m，后續延伸大巷埋深將繼續加大。巷道斷面為直墻半圓拱形，由于埋藏深、圍巖條件差、地質構造發育，已掘部分巷道和硐室圍巖破壞嚴重，主要表現為強烈底鼓、兩幫移近和頂板下沉，巷道淺部圍巖破壞嚴重。巷道圍巖破壞深度較深，尤其以采區變電所最為嚴重。第一次巷道加固現場采取“刷幫、拉底、補打錨桿索”的方式對發生嚴重破壞的巷道圍巖進行修復，但效果不佳。為確保采區變電所修復效果，特針對礦井圍巖變形破壞現狀及已有修復工程施工狀況，對礦井大巷圍巖修復方案進行設計。

1 現有巷道修復狀況與存在問題分析

1.1 圍巖破壞與修復狀況

采區變電所布置在回風大巷與輔運大巷之間的煤柱中(圖1)，受附近地質構造和埋深影響，出現底鼓和幫部開裂現象，巷道破壞長度約80 m. 目前，完成頂幫錨索加固、起底和噴漿成巷工作。

圖1 采區變電所平面位置圖

首次巷道修復主要存在以下問題：

1) 頂幫刷擴時存在圍巖松動范圍大、刷擴易垮落、錨桿索安裝困難等問題。經現場測量，圍巖松動深度平均達2.5 m，多數錨桿失效，錨索安裝困難[1]. 受周圍小型褶曲、向斜背斜產出頻繁、伴生小斷層發育以及陷落柱、煤柱寬度小的綜合因素影響，巷道破壞較為嚴重。

2) 巷道直接刷擴施工，易造成斷面超寬超高，大巷間煤柱壓力進一步增大，不利于巷道圍巖的穩定。

3) 直接刷擴破碎圍巖的方式在施工過程中對鄰近巷道擾動明顯，易造成鄰近巷道破碎圍巖突然垮落。

1.2 巷道圍巖結構觀測

采用數字式全景窺視儀對巷道修復區域進行了圍巖結構觀測[2-3].在采區變電所附近的一號回風大巷和輔運大巷區域共打設鉆孔15個，其中有7個鉆孔由于修復段淺部圍巖極其破碎，塌孔嚴重，造成鉆孔窺視探頭無法獲取鉆孔圖像。塌孔深度集中在鉆孔開口至1.5～2.0 m.

鉆孔窺視在未出現塌孔的鉆孔中進行圍巖結構觀測，為加固方案提供了依據。輔運大巷選取采區變電所附近3個鉆孔能獲得圍巖結構圖像的鉆孔窺視結果，選取部分鉆孔典型區段特征見圖2.

圖2 采區變電所開口東15 m幫部窺視結果圖

由圖2可以看出：所測區域巷道圍巖普遍破碎嚴重，兩幫破碎深度達到4 m以上，多數鉆孔2.5 m范圍內圍巖極其破碎，見圖2a)、2b)、2c)；巷道頂板圍巖普遍松軟破碎，鉆孔淺部圍巖破壞深度在4～5 m，鉆孔深部圍巖雖然結構相對完整，但普遍存在明顯鉆痕，說明圍巖較為軟弱，見圖2d).

1.3 礦井巷道破壞原因分析

通過現場調查、地質資料對比分析，判斷巷道出現破壞嚴重的原因主要有以下4個方面：

1) 深部地壓大，支護參數與圍巖應力不匹配。采區變電所等破壞嚴重區域主要集中在埋深600～700 m的區域。隨著埋深的增加，支護強度未及時合理調整，是造成巷道破壞的主要原因[3].

2) 地質構造影響區域，圍巖結構破碎、承載力低，巷道圍巖破壞嚴重，嚴重區域主要集中在斷層、陷落柱、向斜構造軸部，表現為圍巖節理裂隙發育、巷道壓力明顯增大。

3) 采區變電所煤柱應力集中，掘進擾動明顯，附近巷道破壞嚴重。一號回風大巷與輔運大巷間凈煤柱寬度34 m，中間又設置采區變電所，由此造成相鄰巷道間凈煤柱寬度變窄，應力集中顯現明顯。

4) 巷道跨度大，巷幫承載能力低、整體維護難度大。礦井大巷寬度均為6 m，雖然采取自穩能力較強的拱形斷面，但是巷道幫部均是圍巖強度較低、承載能力差的半煤巖，加之初始支護參數中巷幫支護強度低，造成巷幫最先出現失穩破壞，進而引起頂板破壞。

2 巷道修復方案與關鍵參數

為確保礦井永久大巷的整體穩定性，提高破碎圍巖的抗動壓擾動能力，分別對采區變電所及相鄰的回風大巷、輔運大巷進行圍巖注漿。注漿的目的是充填圍巖體內部裂隙，將破碎巖體進行重新組合，盡量恢復成完整的圍巖承載結構，提高圍巖的承載能力[4-6].同時，在恢復破碎圍巖完整性的基礎上進行錨桿索補強支護，有利于錨桿錨索主動支護應力在圍巖中的擴散[7-9].

步驟如下：

1) 封閉巷道圍巖。圍巖注漿前，對原混凝土噴層開裂位置進行水泥漿堵漏或重新噴射混凝土，封閉裸露圍巖。

2) 圍巖注漿加固。打設注漿孔，進行注漿加固。注漿孔布置：間排距2 m×2 m，“五花”布置。孔深與孔徑：深度8 m，孔徑56 mm. 注漿壓力：根據圍巖漿液擴散狀況和注漿量調整注漿壓力，一般控制在2 MPa左右。注漿順序：按照“從下到上，先幫后頂”的順序逐排逐孔注漿。若遇臨近鉆孔漏漿、跑漿嚴重時，采取隔排或隔孔注漿的方式，確保注漿效果。注漿材料：水泥漿，添加流動劑。

3) 錨索加強支護。因為原方案已進行錨桿支護，因此在注漿加固的基礎上，將巷道斷面刷擴至設計尺寸，并采取“局部鋪網、補打錨索”的方式加強支護。規格：選用d22 mm，1×19股煤礦專用鋼絞線，長度6 300 mm，鉆孔d 30 mm，300 mm×300 mm×16 mm可調心托板。布置：全斷面補打錨索，幫部底腳錨索距底板距離不大于500 mm，垂直巷道表面打設。錨索成排布置，間排距1.0 m×1.2 m. 預緊力：設計張拉力不低于250 kN. 外露長度：200～250 mm. 噴漿成巷：對修復后的巷道變形進行礦壓觀測，待圍巖穩定后進行噴漿成巷。

3 巷道礦壓觀測與加固效果評價

礦井大巷修復完成后，對巷道進行了礦壓監測，了解巷道圍巖穩定狀況，以判斷巷道修復效果。監測內容主要包括以下方面：

1) 巷道表面位移監測。

采用“十字布點法”安設表面位移監測斷面，分別對變電所頂板下沉、底鼓、左右幫移近量進行觀測。經監測，頂板最大下沉量2 mm，兩幫移近量3 mm，底鼓3 mm.

2) 注漿效果觀測。

在巷道圍巖注漿完成后，對圍巖內部漿液擴散狀況進行觀測，采用鉆孔窺視的方式對采區變電所進行圍巖結構觀測[2]，巷道內部裂隙已充滿漿液，圍巖基本完整，注漿效果良好，加固方案合理。

另外，對局部圍巖節理裂隙注漿效果差的區域進行了二次注漿加固，確保了巷道破碎圍巖體的加固效果。

4 結 論

1) 注漿加固是確保大巷修復工程效果的基礎，也是保證加固工程質量和效果的關鍵。當圍巖破碎不利于錨桿支護時，漿液注入破碎圍巖后充填圍巖內部裂隙，并對開裂破壞的圍巖進行膠結，使圍巖內部形成的裂隙消失，圍巖恢復為具有完整結構的連續體，使破碎圍巖的可錨性顯著增強，以便于錨桿施加有效的預應力。

2) 單一的圍巖注漿不能有效控制破碎圍巖的長期蠕變及進一步破壞。因為注漿并未改變圍巖的應力條件，在高應力環境下，圍巖自身、裂隙面與漿液結石體間容易發生二次開裂破壞。因此必須在恢復破碎圍巖完整性、提高圍巖承載能力的基礎上，進行錨網索加強支護。

3) 高預應力強力錨索支護加固的目的是在破碎圍巖恢復連續性后，對其施加足夠的預應力，使注漿后的圍巖具有較強的承載能力，阻止圍巖再次破壞，確保加固后的巷道圍巖長期穩定。