掘進巷道過地質構造帶超前注漿加固技術研究

齊首靖

(山西汾西正城煤業有限責任公司，山西 孝義 032300)

隨著礦井采掘深度增加，煤炭回采時受地質構造、地應力等因素的影響更加明顯，這些因素在一定程度上制約著礦井煤炭高效回采[1-2]。巷道掘進揭露地質構造期間圍巖往往較為破碎，不僅容易引起巷道超高問題,而且會給巷道圍巖控制帶來威脅[3-5]。山西某礦3607運輸巷在掘進過程中揭露有地質構造，礦井提出超前加固技術方案對地質構造帶破碎圍巖進行超前加固，為巷道掘進以及圍巖控制創造良好條件，現場取得了較好的應用成果。

1 工程概況

3607運輸巷沿著6號煤層頂板掘進，煤層埋深420 m，巷道設計長度為2 018 m，斷面為矩形，凈寬、凈高分別為5.5 m、3.75 m。6號煤層賦存較為穩定，為全區可采煤層，煤層厚度平均3.75 m，傾角7°。6號煤層基本頂為粉砂巖厚5.9 m，直接頂為砂質泥巖、炭質泥巖互層厚度2.6 m；直接底為炭質泥巖厚度1.6 m，直接底為灰巖，厚度15.7 m。

根據已有地質資料以及物探顯示，3607運輸巷掘進過程中揭露DF53、DF56斷層，在斷層影響下圍巖裂隙破碎，會給巷道圍巖控制以及掘進安全帶來較大威脅，具體工作面內斷層發育位置如圖1所示。為了確保巷道掘進安全，提出采用超前注漿方式對構造帶內破碎巖體進行加固，確保掘進過程中圍巖穩定。

圖1 工作面內斷層發育位置示意

2 超前加固技術分析

2.1 超前加固材料確定

現階段礦井常用的注漿加固材料有：有機材料(化學材料)、無機材料(水泥漿)、有機-無機復合材料。其中無機材料以水泥漿為主，具有材料來源廣、成本低等優點，但是也存在容易離析、漿液穩定性差、注漿有效擴散半徑小等問題；有機材料以高分子材料為主，煤礦最為常用的有機注漿材料聚氨酯，有機注漿材料具有粘度低、強度高以及粘結力強等優點，但是也存在存儲時間短、部分材料釋放有害氣體以及反應時釋放熱量等問題。有機-無機復合材料綜合兩種注漿漿液優點，不僅具有較強的可注性，而且能降低注漿材料反應溫度，提高了阻燃性能。為此，本次注漿采用型號SCPJG-2有機-無機復合材料，該注漿材料性能參數如表1所示。

表1 注漿材料性能參數

2.2 注漿加固鉆孔設計

注漿鉆孔布置參數與注漿漿液擴展半徑密切相關。3607運輸巷掘進范圍內地應力大，雖然裂隙發育，但是在構造應力以及地應力綜合作用下裂隙封閉，注漿加固較為困難。現場對注漿半徑進行測試，發現注漿漿液有效擴散半徑為1 500 mm。

3607運輸巷在地質構造影響下巷道掘進速度有所降低，具體掘進進尺降低至4.0 m/d。為了不影響巷道正常掘進，在檢修班進行注漿加固。在運輸巷掘進至200 m位置時開始注漿，具體注漿加固位置為巷道頂板上方2.5 m以及肩窩向外1.5 m位置。3607運輸巷設計掘進寬度為5.5 m，現場共布置3個注漿鉆孔，其中1號注漿孔在距離巷道左幫500 mm位置施工，開口位于巷道頂板下方300 mm位置處，鉆孔仰角以及擴散角均為15°；2號鉆孔與1號鉆孔間距為2 000 mm，開口位于頂板下方300 mm位置，仰角15°，擴散角0°；3號鉆孔與2號鉆孔間距為2 000 mm，仰角及擴散角均為15°，距離巷道頂板300 mm。在掘進迎頭布置的注漿孔孔深均為6 000 mm，鉆孔孔徑均為42 mm。具體注漿鉆孔布置如圖2所示。巷道每掘進4 m開始一個循環注漿。

圖2 掘進迎頭注漿鉆孔布置示意

2.3 注漿加固參數

1) 注漿量。注漿量是衡量注漿加固效果的一個重要指標，具體注漿量可通過經驗公式計算確定[6]。依據3607運輸巷實際地質條件以及注漿鉆孔布置，具體計算得到的單個注漿鉆孔注漿量約為0.62 m3，注漿量約為760 kg。巷道每個注漿循環注漿孔孔深為6.0 m，共計3個鉆孔，因此單個循環鉆孔注漿量約為2 280 kg。注漿采用的CPJG-2有機-無機復合材料A、B組分按照1∶1配比混合均勻。

2) 注漿壓力。鉆孔注漿壓力與地應力密切相關。現場測試發現，3607運輸巷掘進范圍內最大主應力、最小主應力分別為水平應力、垂直應力，其中最大主應力為26～36 MPa，分布方位角介于140～172°之間，最大主應力方向與巷道掘進軸向間有63～82°夾角。3607運輸巷掘進范圍內最大主應力取值為28 MPa、與掘進軸向夾角取值為70°，則最大主應力在垂直、水平方向上應力分量分別為14 MPa、21.6 MPa。為了確保注漿漿液可有效擴展，因此巷道注漿壓力應在14 MPa以上，具體取值范圍為14～18 MPa。

3 注漿加固效果分析

在3607運輸巷掘進迎頭采用圖3所示的加固流程進行超前注漿加固。注漿加固完成后從漿液擴散、巷道掘進進尺以及巷道成型等方面對注漿加固效果進行分析。注漿后通過布置窺視鉆孔對注漿漿液擴展情況進行窺視，發現鉆孔實際擴展半徑可達2.0 m，在后續巷道注漿加固時可對注漿半徑進行適當優化。注漿加固后，巷道在地質構造帶掘進時基本不出現超高問題，巷道成型效果得以好轉。注漿加固前受到地質構造影響，巷道掘進進尺降低至4.0 m/d，注漿加固后，巷道掘進過程中基本不受破碎圍巖影響，每個完整生產班可掘進4.0 m，巷道掘進進尺量增加至8.0 m/d。通過注漿加固為巷道掘進創造了良好條件。

圖3 注漿加固流程

4 結 語

3607運輸巷掘進過程中受DF53、DF56斷層影響，圍巖較為破碎，制約了巷道掘進以及圍巖支護等工作的開展。為了確保巷道安全高效掘進，提出采用超前注漿方式加固斷層破碎帶內圍巖，從而給巷道掘進以及圍巖支護創造良好條件。

依據3607運輸巷實際地質條件對超前注漿加固參數進行設計。現場應用后，巷道掘進過程中超高問題基本解決，巷道掘進進尺由加固前的4.0 m/d增加至8.0 m/d。注漿加固可為巷道掘進以及圍巖控制創造良好條件，現場取得了較好的應用成果。