弱沖環(huán)境下巷道注漿加固支護技術及應用

李衍磊，張忠正(棗莊礦業(yè)(集團)濟寧七五煤業(yè)公司，山東 棗莊 277000)

0 引言

棗莊礦業(yè)(集團)濟寧七五煤業(yè)公司3上煤層南二采區(qū)3上215工作面為孤島型工作面，3上215運輸巷設計長度為927 m(平距)，與采空區(qū)相鄰，中間留有保護煤柱4 m。目前，3上215運輸巷已掘進完畢，工作面為弱沖、沿空掘進，圍巖壓力有所顯現(xiàn)，巷道受礦壓及采動影響，整個巷道的煤巖層穩(wěn)定性較差，后期受采動影響，采空區(qū)側的巷幫必會出現(xiàn)嚴重收斂及底鼓量現(xiàn)象，影響安全使用，不利于回采工作面巷道管理及維護，結合現(xiàn)場實際情況， 對采空區(qū)側的巷幫580 m距離進行固化支護，采用一層次注漿(注漿錨桿注漿加固)。此次應用將為該礦孤島工作面的回采安全創(chuàng)造條件。3上215運輸巷一層次注漿鉆孔如圖1所示。

圖1 3上215運輸巷一層次注漿鉆孔布置圖

1 破壞狀況分析

(1)目前采用的支護形式仍然是以錨桿懸吊及組合梁，沒有固結圍巖和保護錨桿的著力點和支護阻力，特別是弱沖底層，必然阻止不了高地應力帶來的巷道大變形和圍巖流漏出現(xiàn)的支護體破壞造成的巷道垮冒現(xiàn)象。

(2)“軟弱泥巖”和采動圍巖狀態(tài)下，單獨錨桿支護難以構建新的組合拱，不能充分發(fā)揮錨桿的基本支護應有作用[1]。

(3)沒有針對“軟弱泥巖”和采動圍巖進行立體固化，使錨桿錨索沒有著力點，沒有形成多層次聯(lián)合支護，錨桿支護關鍵技術作用沒有得以發(fā)揮[1]。

(4)錨桿單一支護單元，沒有相關支護單元配合互補，使其所具有的復合支護作用難以發(fā)揮，形成不了控制圍巖穩(wěn)定的作用[1]。

(5)巷道施工中揭露的較大斷層和裂隙發(fā)育帶、煤巖層節(jié)理發(fā)育及淋水帶，煤巖層穩(wěn)定性較差，是巷道支護的薄弱環(huán)節(jié)，巷道極易出現(xiàn)兩幫收斂和掉頂現(xiàn)象，是重點注漿固化的關鍵部位。

(6)3上215運輸巷，作為回采工作面的超前巷道，受工作面超前采動影響，會快速破壞和大變形。

(7)巷道是布局為小煤柱開采巷道，小煤柱留寬4 000 mm；在掘進過程中和采動過程中歷經(jīng)兩次來壓；巷道圍巖和支護都會帶來較大壓力，特別是對小煤柱的煤體破壞，巷道壓力進一步增大，加劇了對巷道的破壞程度。所以，采取注漿固化設計是科學的和必要的。以封閉軟弱煤巖體為基礎，通過以強韌封層、充分注漿、可靠固結圍巖，提升錨桿工作阻力的整體思路，來保證巷道的圍巖控制和支護的穩(wěn)定。

2 注漿加固支護設計

2.1 研究設計思路

以封閉軟弱圍巖的軟弱巖煤體為基礎，通過以強韌封層、充分注漿、可靠固結圍巖，提升錨桿工作阻力的整體思路，來保證巷道的圍巖控制和支護的穩(wěn)定。根據(jù)軟弱煤巖體巷道圍巖的受力和破壞的特征，必須從傳統(tǒng)的支護思路框架中跳出來，采用主動動態(tài)的支護思路，主動固結改善圍巖的極易碎脹破壞的性能，提升圍巖的整體性和自身承載能力，以期在巷道服務年限里保持巷道的長久穩(wěn)定。

針對3上215運輸巷巷道支護設計及巷道支護強度不強的情況，擬采用提高錨桿支護層次和錨桿支護密度對巷道圍巖重新進行支護加固，采用一層次注漿封閉軟弱煤巖體和固結極易膨脹破碎支護技術；其主要原理是巖石力學、錨注支護原理和動態(tài)注漿加固機理的結合。

2.2 技術支撐

目前，注漿加固支護技術僅有淮北市平遠軟巖支護工程技術有限公司擁有相關專利技術，該公司在礦山的軟巖支護、防水治水等困難工程提供經(jīng)常性的技術咨詢、施工工藝指導和示范工程施工等系列服務。迄今，該公司先后在安徽、河南、山東、陜西、河北等地承擔多個國有大型煤礦企業(yè)以及市、省、科技部和國家重大技術難題。在深部礦井高應力巷道支護和復雜條件下硐室支護穩(wěn)定率較好、巷道移變量低于6%，同等困難巷道支護成本降低30%～40%以上。通過與該公司合作，對3上215運輸巷弱沖環(huán)境注漿加固支護技術進行研究應用。

注漿加固支護原理：

(1)通過注漿圍巖軟弱巖煤體的自身強度得以再次提高。

(2)通過對圍巖的注漿，圍巖內(nèi)部應力傳遞方式得以改變，淺部圍巖內(nèi)應力得以提升，從而降低了深淺部圍巖應力差，有效緩解應力傳遞速度和力度[2]。

(3)通過注漿，使破壞松散的圍巖體再次固結，離層的巖層黏結閉合，錨桿損失的著力點得以鞏固，補充封閉錨桿、錨索外口空間，盡而達到全長錨固支效果[2]。

2.3 固化支護原則

(1)保證巷道加固后保持巷道穩(wěn)定，并使巷道的變形量確保在設計允許范圍內(nèi)，從支護方案及支護機理上，要著眼于噴漿封閉軟弱巖煤體錨桿錨注聯(lián)合支護，以提高圍巖自身承載能力，實現(xiàn)強韌性封層、穩(wěn)壓注漿膠結主動支護、保證支護結構穩(wěn)定的原則。

(2)要充分考慮到受強膨脹圍巖來壓快、變形量大和破碎極其嚴重的特點，采用支護重點在于對弱結構巖層和極軟弱煤層造成巷道頂板兩幫破壞的嚴重地段，進行放頂和擴幫，進行補錨補噴進行注漿固結圍巖。

(3)施工過程中嚴格把控施工技術與安全生產(chǎn)的相互銜接、相互協(xié)調和相互促進，以安全為先，技術把關，達到巷道施工安全，后期巷道支護穩(wěn)定、使用壽命增長、服務于礦井安全生產(chǎn)的原則。

2.4 施工方法

2.4.1 施工方法

采用風鉆、錨桿鉆機打注注漿錨桿，人工拌料噴漿機配合噴漿封閉圍巖；采用注漿泵配合風動攪拌機對圍巖進行注漿加固。

2.4.2 錨注固化支護參數(shù)與要求

(1)在底腳槽內(nèi)打注加固錨桿(加固錨桿采用Φ22×2 200 mm的高強錨桿，排距800 mm)。

(2)注漿錨桿：采用Φ20×2 000 mm的自固自封內(nèi)自閉注漿錨桿，每排4根，孔深2 600 mm。

(3)注漿錨桿間排距：單幫注漿1 300×1 800 mm

(4)表層噴漿層次：為2個層次，每個層次為 30～50 mm；噴層總厚度60～100 mm；混凝土強度≥20 MPa；

(5)清挖采空區(qū)側巷幫底腳槽：深×寬=300×300 mm，補打底腳注漿錨桿。

單幫一層次注漿錨桿布置斷面如圖2所示。

圖2 單幫一層次注漿錨桿布置斷面圖

2.4.3 工藝流程

一層次、二層次噴漿達標→打注安裝注漿錨桿→進行注漿固化(開挖采空區(qū)側底腳槽)→底腳槽內(nèi)打注漿錨桿→噴漿封填底腳槽→底腳槽注漿錨桿注漿。

2.4.4 技術要求

(1)噴漿前，錨網(wǎng)索帶支護施工到位，巷道斷面尺寸符合設計要求。

(2)及時采取一、二層次噴漿封閉軟弱巖煤體，即噴漿封閉軟弱巖煤體：

①采取次薄噴技術，每層噴層厚度30～40 mm，噴層總厚度60～80 mm。

②混凝土配比即水泥、黃砂、石子的比例為1∶1.5∶1。

(3)用自固自封內(nèi)自閉注漿錨桿進行注漿：

①必須采用自固自封內(nèi)自閉注漿錨桿；

②注漿壓力控制在2.0～3.0 MPa；

③注漿水泥標號：525#；

④注漿水泥漿液配比即水泥與水的比例為0.6～0.7∶1.0；

⑤注漿孔深度：幫頂注漿孔深度2 600 mm；底腳部注漿孔深度2 200 mm，向底板傾角為15～30°。

3 注漿加固支護效果檢驗

效果檢驗可采取在巷道單幫側設置“圍巖觀測點”，從頂板距幫一定距離掛鉛垂線，每隔100 m設一處圍巖觀測點，初始值為1 000 mm，每兩周讀取一次觀測記錄數(shù)據(jù)，檢驗注漿加固支護效果。巷道注漿前加固前圍巖變形量觀測數(shù)據(jù)如表1所示。巷道注漿加固后圍巖變形量觀測數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 巷道注漿前加固前圍巖變形量觀測數(shù)據(jù)表 單位：mm

表2 巷道注漿加固后圍巖變形量觀測數(shù)據(jù)表 單位：mm

通過對注漿加固支護前后區(qū)域的現(xiàn)場檢查和周期數(shù)據(jù)來看，采用注漿加固支護技術達到了預期目標，有效控制圍巖變形和底鼓現(xiàn)象，實現(xiàn)了巷道圍巖可控。

4 結語

七五煤業(yè)公司3上215運輸巷在小煤柱中進行注漿加固，有效地保護了煤柱整體穩(wěn)定性，提高了煤柱的承載能力，確保了3上215工作面在后期受采動影響及來壓時不會出現(xiàn)巷道大面積變形、底鼓等現(xiàn)象，同時有效阻止了采空區(qū)有毒有害氣體通過煤巖裂隙滲入巷道。此次應用為弱沖環(huán)境巷道的有效治理提供了參考，具有推廣應用價值，注漿加固支護技術比傳統(tǒng)加強支護方式更為經(jīng)濟、可靠，支護效果較好。