大跨度軟巖頂板切巷注漿加固支護技術實踐

王鵬飛

（山西焦煤霍州煤電集團呂臨能化有限公司，山西 霍州 031400）

1 工程概況

龐龐塔煤礦701 工作面設計長度1330 m，開采煤層厚5.7～8.9 m，平均厚度7.2 m。煤層結構復雜，一般含夾矸3～5 層，夾矸厚為0～1.51 m，平均厚度0.72 m，煤層傾角為14°～18°，平均傾角15°。采用ZY1300-26-55 型兩柱掩護式液壓支架一次采全高綜采技術。701 工作面地面標高1194～1307 m，工作面標高905～930 m，順槽巷道為矩形斷面，斷面尺寸為寬×高=5.4 m×4.1 m，切巷尺寸為寬×高=9.3 m×4.0 m。701 工作面位置情況如圖1。

圖1 701 工作面位置示意圖（m）

煤層直接頂為石灰巖，含有較高的泥質成分，節理發育，厚約16 m。煤層底板為砂質泥巖，平均厚度3 m。

2 存在的問題

2.1 發現問題過程

當7012 巷掘進至860 m 位置時，巷道頂板周圍巖層出現風化并變很松軟，煤體硬度降低、易碎，巷道頂板出現大量鼓包，新揭露頂板節理出現裂隙，產生離層現象。7011 巷掘進至1100 m 位置時，頂板出現了7012 巷的類似情況。分析其原因應該為工作面東側的風氧帶已影響到整個工作面。

在7012 巷道1310～1330 m 范圍內施工巷道頂板巖性探測孔，用YTJ20 型頂板巖性探測記錄儀進行記錄。頂板向上0～2.2 m 位置為泥化巖層，強度非常低，泥化頂板巖層遇水可軟化為泥漿；頂板向上2.2～6.0 m 位置為泥巖，裂隙較發育，有空洞現象；頂板向上6.0～12.5 m 為黑色泥巖，0～2 層硬質夾矸，硬度高；頂板12. 5～15.0 m 為砂質和砂巖，硬度中等。根據以上數據可知，701 工作面切巷頂板易破碎，為典型軟巖頂板。

2.2 問題產生的原因分析

（1）巷道頂板巖層結構復雜多變。直接頂以泥巖為主，砂質泥巖為輔，且含有夾矸狀黃泥，裂隙發育，局部出現空洞。

（2）錨桿和錨桿索錨固效果不佳，錨固力達不到設計要求。巷道頂板0～3 m 段，外表粗糙，呈深灰色，為黃色泥巖，頂板泥巖風氧化成發軟、發潮不沾手的淺黃色殘粘土，錨桿錨固劑與圍巖之間界面粘結能力較弱，2500 mm 錨桿抗拉拔力基本上都小于18 kN，錨桿的錨固區失效；錨索孔成孔困難，塌孔和堵孔問題嚴重，錨索錨固失效。

（3）大跨度切巷圍巖變形較大，支護更加有難度。切巷斷面設計寬度×高度=9.5 m×4.0 m，屬于大跨度大斷面巷道，巷道中部張拉應力較大，巷道兩幫頂角部位剪應力較大，巷道軟巖本身抗壓強度低，自穩能力差，來壓快，變形大，容易引起周圍破碎頂板的冒落。

3 巷道圍巖強化及支護方案分析[1-6]

3.1 巷道圍巖注漿加固方案設計

（1）注漿材料選擇。切巷頂板為易破碎的軟巖頂板，支護前需要先注漿加固頂板。注漿材料選擇采用普通水泥-水玻璃雙液漿，水泥材料為PO42.5級以上的硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為40～45 °Bé。水泥漿與水玻璃體積比為=0.2:1.0，水泥漿水灰比為0.9:1.0，注漿壓力為0.2～0.5 MPa，注漿鉆孔直徑Ф32 mm，采用直徑Ф42 mm 的鉆頭掏孔，安裝專用封孔器進行封孔。

（2）注漿孔設計。按照超前預注漿流程，在切巷掘進面和擴刷側頂板施工注漿鉆孔，采用深孔-短孔組合方式，提高頂板注漿時的均勻性和平穩性。切巷頂板注漿孔設計如圖1。掘進面區域的注漿孔按“三三”布置，左側孔為Ф32 mm×4000（深）mm，孔角度30°，中間孔為Ф32 mm×（深）6000 mm，孔角度60°，右側孔為Ф32 mm×（深）4000 mm，孔角度30°，間排距為2000 mm×3000 mm。擴刷區注漿孔采用深孔-短孔間隔布置方式，注漿深孔深度8000 mm，孔角度60°，注漿短孔深度4000 mm，孔角度30°，孔間距為2000 mm。頂板注漿孔設計如圖2。

圖2 切巷頂板注漿孔設計（mm）

3.2 巷道支護方案

切巷頂板設計采用“全錨索”支護技術，如圖3。

圖3 切巷斷面支護設計（mm）

一次掘進期間，切巷頂板錨索使用Ф21.8 mm×10 300 mm 的鋼絞線，托盤規格300 mm×300 mm×16 mm，“六六”布置，間距1000 mm，排距800 mm，充填K2335、Z2360 樹脂錨固劑各2 支，錨索預緊力不小于200 kN，每排錨索架設W 型鋼帶（長5.3 m，每條鋼帶6 孔，孔距1000 mm）。幫部錨桿選用規格Ф22 mm×2000 mm 樹脂高強螺紋鋼錨桿，間距1500 mm，排距800 mm，“三·三”布置，充填K2335、Z2360 樹脂錨固劑各1 支，錨桿錨固力不小于120 kN，待擴刷側選用Ф22 mm×2000 mm 型玻璃鋼錨桿。

二次擴刷期間，切巷頂板錨索使用Ф21.8 mm×10 300 mm 的鋼絞線，托盤規格300 mm×300 mm×16 mm，“五·五”布置，間距9000 mm，排距800 mm，切巷頂板中部施工桁架錨索，錨索使用Ф21.8 mm×12 300 mm 的鋼絞線配合槽鋼，托盤規格300 mm×300 mm×16 mm，“二·二”布置，角度70°，間距2000 mm，排距800 mm，桁架錨索與普通錨索交替平行布置。

4 效果分析

4.1 注漿效果分析

一次掘進期間和二次擴刷前，累計施工注漿孔262 個，施工用時95 d，注漿水泥用量約153 t，注漿水玻璃用量約26.7 t。

（1）鉆孔窺視。在701 切巷通尺25 m、40 m、61 m、80 m、100 m、150 m、205 m 處位置施工頂板注漿窺視孔，布置ZKXG30 礦用鉆孔軌跡檢測裝置，注漿后鉆孔窺視如圖4。切巷頂板注漿后，漿液較好地注入到泥巖巖層的孔隙、裂隙和空洞之中，漿液硬化后與破碎泥巖形成整體；鉆孔孔壁光滑，成孔效果好，注漿后可有效減少錨索孔塌孔和堵孔問題；漿液集中在頂板以上0.8～6.8 m 巖層中，注漿過程中，漿液主要沿水平方向擴散。

圖4 注漿后鉆孔窺視圖

（2）錨索現場抗拉拔力試驗。在切巷二次擴刷前，現場隨機選擇已施工的12 根錨索進行抗拉拔力測試。從測試數據可知，12 根錨索的拉拔力均位于255～315 kN 之間。由此可知，切巷頂板注漿后，錨索拉拔力達到設計承載載荷值，錨索錨固效果理想，保障巷道圍巖的穩定。

4.2 巷道圍巖變形規律分析

切巷巷道圍巖變形量觀測采用“十字”布點法，對切巷巷道頂板下沉量、底鼓量、頂底板移近量和煤幫鼓起量進行監測，監測結果如圖5。

圖5 巷道圍巖變形曲線

在一次掘進期間共施工14 d 后，切巷巷道圍巖變形情況整體上趨于穩定，頂板下沉量18 mm，底鼓量8 mm，頂底板最大移近量27 mm，煤幫鼓起量36 mm；二次擴刷期間，切巷巷道受二次采動影響，頂板跨度變大，巷道變形在擴刷后14 d，切巷巷道圍巖變形再次趨于穩定，頂板下沉量44 mm，底鼓量21 mm，頂底板最大移近量69 mm，煤幫鼓起量58 mm。監測數據結果表明：701 工作面切巷軟巖頂板采用注漿加固技術和頂板全錨索支護方案后，能有效控制巷道圍巖的變形量，保障開采的安全性和可靠性。