晉華宮礦12 號層301 擴區回風巷泥質膠結圍巖控制技術

劉文龍

（晉能控股煤業集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

0 引 言

煤炭在回采時受煤層賦存條件、地質構造等因素影響明顯。當巷道在不同圍巖中掘進時應針對性采取圍巖支護技術[1-2]。當掘進巷道位于泥質膠結的軟巖中，巷道圍巖較為松軟，遇水時會出現膨脹、泥化等情況，從而使得圍巖支護體系中的錨桿、錨索等結構松弛、失效，巷道需要頻繁的進行修整[3]。眾多的研究學者對泥質膠結軟巖巷道圍巖控制展開研究，其中朱先龍等[4]提出將錨網索結合M 鋼帶、鋼筋網護頂等方式強化對軟巖圍巖頂板控制，從而有效解決軟巖頂板下沉量過大安問題；張輝等[5]提出采用分次注漿方式改善泥質膠結軟巖承載力較低、圍巖穩定性較差問題；康紅普等[6]提出采用高預應力、高強錨桿配合注漿對軟巖進行控制，通過充分發揮錨桿預應力提升圍巖控制效果。上述研究成果為泥質膠結軟巖巷道圍巖控制提供了寶貴經驗借鑒。文中以晉華宮礦12 號層301 擴區回風巷為研究對象，針對軟巖圍巖控制困難問題，提出采用錨注技術控制圍巖變形，現場取得較好的應用成果。

1 工程概況

晉華宮礦12 號層301 擴區回風巷埋深平均620 m，該巷道主要用于采區回風。巷道設計掘進長度680 m，斷面為半圓拱型。具體位置見圖1。

圖1 301 擴區集中回風巷

301 擴區回風巷沿著12 號煤層頂板掘進，頂底板巖層以粉砂巖、砂質泥巖為主，具體巖性參數見表1。

表1 12 號煤層頂底板巖性參數

301 擴區回風巷所在巖層為典型的泥質膠結軟巖，圍巖支護難度高，具體體現在；圍巖本身強度低，巷道掘進后容易導致圍巖破碎、失穩，難以長期維持巷道圍巖穩定；巖層膠結性差，粘聚力、內摩擦角等較小，錨桿、錨索等支護結構提供的錨固力難以長時間保持，當受到采動影響時支護結構支撐力會進一步降低；圍巖裂隙發育，遇水容易膨脹變形，采用常規的水泥單液甚至會增加圍巖變形；巷道圍巖在干燥條件下具有一定的承載力，遇水后強度迅速降低，當巷道掘進遇水時容易會出現頂板冒落等安全事故[7-8]。

如何確保301 擴區回風巷圍巖穩定成為巷道掘進時需要解決的現實問題。根據礦井圍巖控制經驗并結合相關研究成果，提出采用中空注漿錨網索方式控制圍巖變形。

2 圍巖控制技術

2.1 全斷面錨注加固

2.1.1 中空注漿錨桿

為了便于圍巖控制，全斷面錨注加固技術控制圍巖變形。圍巖控制采用的錨桿為中空注漿錨桿，錨桿直徑、長度分別為25、3 000 mm，破斷力在200 kN以上，錨固時配備采用規格150 mm×150 mm×10 mm 鋼托盤。錨桿按照700 mm×700 mm 間排距布置，采用型號2850 樹脂錨固劑錨固。采用的中空注漿錨桿結構見圖2。

圖2 中空注漿錨桿結構圖

2.1.2 中空注漿錨索

采用的錨索為中空注漿錨索，直徑、長度分別為29、8 300 mm，抗拉強度達到1 700 MPa，破斷力為400 kN 以上，按照1 400 mm×1 400 mm 間排距布置。配合護頂采用的托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm 的鋼托盤。錨固時采用2 支2850 樹脂錨固劑錨固，施工完成后提供的預緊力在120 kN 以上。

圖3 中空注漿錨網索結構圖

具體中空注漿錨網索布置見圖3 所示，在巷道拱頂中部布置1 根中空注漿錨索，兩側錨桿、錨索均呈放射狀布置。在巷幫幫角錨桿有15°外插角且與底板間距在200 mm。

采用的護表結構為6 mm 鋼筋編制而成的鋼筋網，網孔大小為80 mm×80 mm，在中空注漿錨索間采用W 鋼材連接。巷道表面噴射厚度150 mm、強度C20 混凝土層。混凝土分2 層噴射，掘進完成后立刻噴射50 mm 以便及時封堵圍巖裂隙，避免巖層風化、強度降低，鋼絲網鋪設完畢，錨桿、錨索完成注漿后進行二次噴射，厚度為100 mm。

2.2 注漿材料選擇

由于301 擴區回風巷為泥巖膠結軟巖，遇水時容易出現膨脹、崩解，強度及穩定性顯著降低。同時巷道在掘進時均在一定程度滲水現象，因此錨桿、錨索注漿時需要解決下述問題：

1）采用無機材料（水泥漿）時，如何避免注漿漿液中水對圍巖影響。

2）注漿后圍巖形成的加固體應能有效阻斷導水裂隙。

3）采用的注漿材料時，應滿足滲透半徑大、滲透率高等要求，同時注漿材料應具備一定膨脹性，確保裂隙可被注漿漿液完全充填。圍巖被注漿漿液膠結后強度及穩定性均應得到一定程度是提升。

在注漿時若選用化學注漿材料顯然可滿足要求，但是卻存在注漿成本高昂問題，經濟性不合理；選用水泥漿不能滿足注漿加固需要。綜合分析，決定選用親泥性泥巖注漿材料進行圍巖注漿加固。具體親泥性泥巖注漿材料與水泥漿性能參數見表2。

從表2 可看出，在水灰比相同的情況下親泥性泥巖注漿材料、水泥漿粘度分別為18 MPa·s、18 MPa·s，親泥性泥巖注漿材料要明顯低于水泥漿，從而在圍巖裂隙中具有更好的擴散性能；親泥性泥巖注漿材料初凝、終凝時間也明顯小于水泥漿；親泥性泥巖注漿析水率也更低。此外，親泥性泥巖注漿材料與泥巖具有更好的膠結能力；因此，根據301 擴區回風巷注漿加固需要，最終中空注漿錨桿、中空注漿錨索注漿加固材料均選擇親泥性泥巖注漿材料。

表2 親泥性泥巖注漿材料與水泥漿性能參數

3 圍巖控制效果分析

待301 擴區回風巷采用中空注漿錨桿、中空注漿錨索加固圍巖后，對巷道圍巖變形進行監測。具體圍巖變形量以及變形速度監測結果見圖4、圖5。

圖4 圍巖變形量監測結果

圖5 圍巖變形速度測結果

從圖中看出，在巷道初期掘進階段（10d 內）巷道圍巖變形量增加速度為1.0 mm/d，變形量值接近10 mm；掘進支護完成后10d 后圍巖變形量及變形速度均快速降低，支護完成40d 圍巖變形量基本趨于穩定，最終頂底板變形量穩定在19 mm、巷幫變形量穩定在16 mm。

4 結 論

1）301 擴區回風巷在泥質膠結軟巖中掘進，在掘進影響、圍巖應力等因素綜合影響下導致圍巖變形量較大，采取常規的錨網索支護時圍巖支護體系容易出現失效，從而無法起到有效控制圍巖變形目的。

2）在分析導致圍巖變形量過大原因基礎上，提出采用錨注方式控制圍巖變形，具體是采用中空注漿錨桿、中空注漿錨索對圍巖進行全斷面注漿，從而顯著提升圍巖承載能力及穩定性。為了降低圍巖注漿加固成本，注漿材料選擇親泥性泥巖注漿材料。

3）現場應用后，301 擴區回風巷頂底板、巷幫變形取得顯著的圍巖控制效果。研究成果可為其他礦井掘進遇泥質膠結軟巖圍巖控制提供借鑒參考。