挖金灣礦8103 運輸巷深淺孔注漿加固技術實踐

劉智敏

（晉能控股煤業集團挖金灣煤業有限責任公司，山西 大同 037042）

回采巷道的掘進破壞原有的應力平衡，在巷道圍巖形成應力集中。受集中應力的影響，巷道頂板及兩幫煤巖體中產生大量的裂隙，影響巷道的穩定。對于強度低的軟弱煤層，在巷道開挖和工作面回采的雙重影響下，煤幫破壞范圍大，淺部煤體整體性低、承載能力差，僅錨桿索支護難以取得理想的支護效果[1-4]。在工作面回采過程中往往需要反復擴幫，維修工程量大，對煤礦的正常生產造成嚴重影響。

1 工程概況

同煤集團挖金灣礦8103 采煤工作面所采煤層為4 號煤，煤層平均厚度3.29 m，煤層結構復雜，含兩至五層厚度為0.55～0.33 m 的夾矸。煤層直接頂板為深灰色泥巖，平均厚度3.4 m；基本頂為細砂巖，平均厚度16.8 m；底板為粉砂巖，平均厚度2.6 m。

8103 工作面位于一水平一盤區，南部為三條盤區大巷，東部為8101 采空區，西部、北部尚未開掘。工作面開切眼長度200 m，推進距離1334 m，采用綜合機械化后退式開采，全部垮落法處理頂板。

根據力學測試結果，4 號煤的單軸抗壓強度為3.7 MPa，折算普氏系數為0.37，為典型的松軟煤層。采用常規的錨桿索支護后，巷道位移量大，鼓幫嚴重，幫角處錨桿托盤被吸入頂板中而造成支護失效，多個地段反復維修，增加了成本，對生產造成了嚴重的影響。

2 深淺孔注漿加固機理

2.1 兩幫破壞形式

在煤層中開挖巷道打破了原有的應力平衡，周邊煤巖體中的應力重新分布，部分地段形成了應力集中，如圖1 所示。巷道表面圍巖受掘進或采動影響，內部裂隙發育，相對破碎，形成破碎的散體層，是巷道維護的重點。

圖1 煤巷兩幫受力破壞圖

巷道兩幫塑性區深度X0可如式（1）計算：

式中：m為工作面采高，m；A為側壓系數；φ0為煤幫殘余摩擦角，（°）；C0為煤幫殘余內聚力，Pa；Pz為巷道兩幫的支護力， N；其余同上。

由式（1）可以看出，增加兩幫支護力、提高煤體的力學性質可以減少塑性區的寬度，改善煤幫的受力情況，從而提高對頂板的支撐能力，保持巷道的穩定。

2.2 注漿加固機理

松軟破碎煤巷變形劇烈，穩定性控制應采取一次讓壓、二次加固的原則。在巷道掘進過程中，采用錨網索對頂板和兩幫進行第一次永久支護，控制初期變形，二次加固一般采用注漿的方式和錨桿索等永久支護體共同形成穩定的承載結構，提高整個煤壁的強度和剛度，減少側向變形[5-6]。

巷道注漿分兩步進行，先進行低壓淺孔注漿，膠結淺部破碎的煤巖體，封堵裂隙，形成一定厚度的加固圈，為深部注漿提供基礎。然后通過深部注漿擴大漿體保護范圍，對淺部低壓注漿區起到補強作用，同時深部注漿可以使得錨桿索的錨固點更加穩定，與深部圍巖形成整體承載結構，大大提高其穩定性和承載能力。深淺注漿的加固機理如圖2。

圖2 深淺注漿加固機理

3 錨注加固設計

3.1 錨桿索支護

巷道掘進時采用錨網索進行一次永久支護，運輸巷的規格為5500 mm×3600 mm（寬×高），支護方案如圖3。

圖3 錨網索支護方案（mm）

3.1.1 頂板支護

頂錨桿采用桿體直徑為22 mm 的高強螺紋鋼錨桿，長度為2400 mm，螺紋長度為120 mm，采用兩卷K2360 樹脂藥卷錨固。錨桿托盤為穹型，尺寸為100 mm×100 mm×10 mm（長×寬×厚）。采用8#菱形金屬網護頂，規格為5700 mm×1100 mm，頂板菱形網壓茬200 mm，采用雙股14#鋼絲連接，相鄰鋼絲的間距不大于200 mm。頂錨桿間距為850 mm，每排布置7 根，靠近兩幫的錨桿向煤幫方向傾斜15°，其余垂直頂板，排距為900 mm。每排錨桿采用5500 mm×100 mm×5 mm（長×寬×厚）的W 鋼帶連接。

錨索直徑為21.8 mm，1×19 股鋼絞線制作，延展率不小于5.0%，長度8400 mm，采用兩卷K2360和一卷CK2360 樹脂藥卷錨固，錨索呈“二一二”五花布置，單根錨桿布置在巷道中間，兩根錨索分別在中間兩側1000 mm 的位置。所有錨索均垂直頂板布置，配400 mm×400 mm×16 mm（長×寬×厚）的大托盤。

3.1.2 巷幫支護

幫錨桿桿體為直徑20 mm 的高強螺紋鋼錨桿，長度為2200 mm。采用兩卷K2360 樹脂藥卷錨固，網片規格為3800 mm×1100 mm。錨桿間距為800 mm，每排布置5 根，最上位和最下位分別向頂底板方向傾斜15°，其他垂直巷幫布置。錨桿排距為900 mm，每排錨桿采用5500 mm×100 mm×5 mm（長×寬×厚）的W 鋼帶連接。

3.2 注漿加固

3.2.1 注漿材料

注漿材料為聯邦無機加固材料，主要成分是礦粉。與常規的水泥材料相比，該材料成本低、粘結性高，更適用于松散破碎煤巖體的加固。不同水固比下連邦材料的強度見表1。

表1 不同水固比連邦材料強度

結合挖金灣礦的實際情況，確定采用的水固比為0.8:1。

3.2.2 注漿時機

根據工作面前方垂直應力分布規律來分析巷道煤巖體的裂隙發育情況，由此確定注漿時機。

由圖4 可以看出，工作面0～8 m 范圍內，垂直應力逐漸升高，最大值為65.4 MPa，受垂直應力影響，該范圍內裂隙發育程度高。8～16 m 范圍內，垂直應力逐漸降低，但仍然高于原巖應力，裂隙存在擴展貫通的可能。工作面16 m 范圍之外，基本不受采動影響，裂隙發育不充分，貫通率小，注漿效果不明顯。由此確定工作面前方16 m 范圍為最佳的注漿范圍。

圖4 工作面前方垂直應力分布規律

3.2.3 鉆孔深度

受巷道掘進及工作面回采的影響，巷道兩幫塑性區的發育深度不一致，一般回采側塑性區深度更大。按回采幫塑性區發育深度確定淺部孔深為3.0 m，深部注漿孔的深度為8.0 m。

3.2.4 注漿壓力

注漿壓力應當依據注漿材料及煤巖體的裂隙發育程度確定，但過高的注漿壓力會導致裂隙的進一步發育，破壞圍巖。根據現場經驗，確定淺部注漿孔壓力為3～5 MPa，深部注漿孔壓力為8～10 MPa。注漿壓力根據現場情況實時調整，注漿困難或有漿液流出時及時調整。

3.2.5 注漿孔布置

巷幫深部注漿孔和淺部注漿孔交替布置，注漿孔的布置如圖5。每排三個注漿孔，淺部注漿孔間距為1200 mm，排距為1800 mm，最上位距頂板600 mm；深部注漿孔間距為1000 mm，排距為1800 mm，最上位距頂板800 mm。每排的中間注漿孔垂直巷幫布置，上位注漿孔向上傾斜15°～20°，下位注漿孔向下傾斜5°～10°。

圖5 巷幫注漿孔布置圖（mm）

3.2.6 注漿順序

注漿時從下往上依次注漿，先淺部后深部。注漿壓力逐漸提高到設計值，深部注漿孔滯后淺部注漿孔2 排。

3.3 礦壓觀測

巷道掘進過程中設置測點，對巷道表面位移進行觀測。結果表明，成巷后變形劇烈，巷道兩幫最大變形速度可達15 mm/d，15 d 后變形速度逐漸減小并趨于穩定，最終兩幫收斂量為157 mm，頂板相對穩定，下沉量為45 mm。巷道經過深淺孔注漿加固之后，在工作面超前支承壓力影響范圍內，又出現了明顯變形，但變形速度相對平緩，持續時間較短，最終兩幫移近量為237 mm，頂板下沉量為72 mm，較其他未注漿工作面相比，巷幫變形減少約60%，頂板減沉約35%，深淺孔注漿取得了理想的支護效果。

4 結論

（1）回采巷道受掘進期間集中應力和回采期間超前支承壓力的影響，巷道表面圍巖內部裂隙發育，形成破碎的散體層，是巷道維護的重點。

（2）通過低壓淺孔注漿和高壓深部注漿，可以膠結淺部破碎的煤巖體，使得錨桿索與深部圍巖形成整體承載結構，提高其穩定性和承載能力。

（3）挖金灣礦8103 運輸巷深淺注漿后，巷幫變形減少約60%，頂板減沉約35%，取得了理想的支護效果。