四通煤業五采區膠帶巷圍巖破碎區域注漿加固技術研究

馬清泉

（山西焦煤汾西礦業四通煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

1 工程概況

山西煤炭運銷集團四通煤業有限公司（四通煤業）五采區膠帶巷位于+1020 m 水平2#煤層，蓋山厚度546～632 m，煤層傾角3°～5°，平均傾角為4°，平均厚度3.2 m，巷道沿煤層頂板布置，圍巖巖性特征詳見表1。作為五采區各回采工作面運煤、進風、行人通道，五采區膠帶巷東側為2#煤層五采區52下01、2上101 回采工作面（均已回采結束），西側為2#煤層五采區2504（正在回采）、2上107、52上02 回采工作面（已回采結束）。五采區膠帶巷受采動和礦山壓力影響，巷道變形嚴重，需對該巷道進行整修，確保服務期間的安全使用。

表1 五采區膠帶巷頂底板巖性特征

2 五采區膠帶巷原支護及礦壓顯現規律

2.1 五采區膠帶巷掘巷支護及表面變形特征

五采區膠帶巷與西側回采工作面間停采保護煤柱寬度50 m，與五采區輔運巷間煤柱寬度30 m，掘巷階段采用錨網索梁支護，頂板錨桿長2000 mm，直徑22 mm，間排距800 mm×800 mm，最外側錨桿與水平方向呈70°角布置，其余錨桿沿豎直方向與頂板垂直布置，配合鋼筋梯子梁及單層菱形金屬網護表；錨索索體為Φ17.8 mm×8300 mm 鋼絞線，布置間排距為1250 mm×1600 mm，每排3 根，均沿豎直方向垂直頂板布置；兩幫錨桿直徑為20 mm，長度2000 mm，間排距700 mm×800 mm，兩側肩角處錨桿與水平方向夾角20°，其余沿水平方向垂直巷幫施工。具體布置如圖1。

圖1 五采區膠帶巷原支護方案（mm）

2.2 巷道表面位移規律

為全面了解五采區膠帶巷表面變形特征，在西翼2504 工作面末采階段的對應巷段（五采區膠帶巷里程220 m 處）布置測點，采用十字觀測法監測巷道表面圍巖相對變形量[1]。經過為期100 d 的現場實測，得到五采區膠帶巷表面變形量變化規律如圖2。監測的第40 天對應位置的2504 工作面停采，根據現場情況表明，五采區膠帶巷表面主要變形特征為頂板下沉和停采煤柱幫內移。由圖2 所示結果可知，監測的前20 d，此處受采面超前動壓影響應該是較明顯，變形增速較快；而在監測的第40 天以后對應2504 工作面停采，圍巖變形速率有所減緩；監測100 d 時，兩幫移近量累計達到317 mm，頂底板累計變形量達到294 mm，且圍巖未趨于穩定，變形量持續增大。為保證生產和運輸的順利進行，必須盡快采取有效措施對變形區域巷道圍巖進行加固。

圖2 巷道表面變形規律

2.3 圍巖損傷程度實測

為精確地探測五采區膠帶巷圍巖內部的巖性特征、裂隙發育情況[2-3]，采用CXK12(A)鉆孔三維電視成像儀對圍巖顯著變形位置進行實測，測點布置在五采區膠帶巷里程220 m 處。通過對巷道頂板、兩幫施工鉆孔，然后將攝像頭送入鉆孔內，觀察鉆孔巖壁的裂隙發育、破碎、巖性等特征，其原理如圖3（a）所示，通過現場探查整理得到圖3（b）所示結果。測試鉆孔分別布置在巷道頂板中部、左側肩窩（西側，與水平方向夾角45°）、左幫、右側肩窩（東側，與水平方向夾角45°）、右幫。可以看出，巷道五采區輔運巷一側表面圍巖完整性較好，巷道左上方圍巖深度0～2 m 存在明顯的破碎區域，深度7～9 m 存在輕微破碎區，頂板巖層深度10 m 范圍內存在較多的破碎區和裂隙發育區，淺部圍巖破碎深度已大于2.4 m，已超出頂板錨桿的有效支護范圍，頂板深度8～9 m 范圍內圍巖較為破碎，表明8.3 m 的頂板錨索未錨固在穩定巖層內，右側幫部及肩角上部圍巖淺部圍巖破碎深度同樣大于2.0 m。綜上所述可知，五采區膠帶巷頂板和靠近回采面一側幫部圍巖破碎較嚴重，原有支護無法充分發揮其性能，無法有效控制圍巖的進一步破碎、變形。

圖3 測試原理和結果（m）

3 五采區膠帶巷注漿加固技術方案

五采區膠帶巷現有支護條件下，圍巖將持續變形破壞，如果只是破壞哪段修哪段，巷道維修多處于被動的巷道修復，通過砌碹、工字鋼等方式進行支護，沒有從根本上解決巷道的變形問題。巷道變形后，巷道圍巖裂隙發育，大大降低了錨桿錨索的支護作用，砌碹、架設工字鋼都是被動支護[4]，地質構造、采動、原有的支護方式不合理等才是造成巷道破壞的主要原因。砌碹、架設工字鋼等都只是在巷道表面施加作用力，沒有從根本上解決問題，后期還要面對頻繁修復的難題，投入的人力和物力都是巨大的，將對正常生產造成持續影響。注漿加固作用和目的有兩點：（1）巷道呈現出明顯的破碎、裂隙，只有通過注漿漿液充填裂隙和破碎煤巖體，使圍巖形成完整的整體，才能夠提高其穩定性，提高其自身的承載能力；（2）巷道原有錨桿錨索表現出明顯的錨固效能差的特征，通過注漿加固充填錨桿錨索與圍巖結合部位的空隙，提高錨桿錨索與圍巖的粘結力，從而提高錨桿錨索控制圍巖的能力。

采用KMA-1 型超強礦用無機材料，具有比化學有機注漿材料便宜、強度高的優點，比普通硅酸鹽水泥顆粒細，有利于進入細小的圍巖裂隙，而且凝固快、不收縮、施工簡單。KMA-1 型超強礦用無機材料與礦井水攪拌均勻后進行泵送，水灰比0.28:1，淺部注漿孔注漿壓力1～2 MPa，深部注漿孔2～3 MPa（注漿時需認真觀察表面漿液漏跑情況，當明顯漏跑漿液時，即使未達到注漿壓力，也應立即停止注漿）。頂板注漿孔采用“三二三”布置，深部注漿孔距巷幫1.0 m 處與頂板夾角70°向上開孔，孔深8 m，直徑42 mm，排距1.6 m，采用注漿封孔器封孔，孔內封孔位置距孔口4 m。淺部注漿孔直徑42 mm，間排距1.5 m×1.6 m，回采工作面一側（右幫）布置注漿孔2 個，下排孔距底板1.4 m 處水平向下10°開孔，上排孔距下排孔0.7 m 水平向上10°開孔，孔深5 m，排距1.6 m，采用注漿封孔器封孔，孔內封孔位置距孔口4 m。采用錨桿機開孔，開孔直徑42 mm，孔內封孔位置可根據現場具體情況做出合理調整。鉆孔布置參照注漿孔布置圖如圖4。注漿作業完成后，對巷道斷面擴刷至原斷面，對未失效的錨索重新張拉、錨桿重新預緊，失效破斷的錨索、錨索重新搭設安裝。

圖4 注漿孔布置示意圖（mm）

4 加固效果考察

五采區膠帶巷返修段注漿加固后，巷道表面圍巖穩定，十字交叉法監測結果表明，頂底移近量最終穩定在50 mm 以下，兩幫移近量穩定在70 mm以下，整體穩定性良好。為期30 d 的監測得到其離層值變化曲線如圖5 所示，頂板巖層離層值前期隨著時間累積呈增大趨勢，加固返修約20 d 后，深部離層值趨于穩定，返修25 d 后，淺部離層值穩定，頂板深部巖層最終離層值為3 mm，淺部離層值10 mm，頂板巖層離層主要表現為淺部離層，占總離層值的76.92%，頂板整體離層值微小，且主要集中在注漿加固后20 d 內?？傮w而言，頂板巖層穩定性良好，能夠保障五采區膠帶巷圍巖的長期穩定。

圖5 頂板離層量變化規律

5 結語

通過對四通煤業2#煤層五采區膠帶巷原有支護條件下巷道表面變形量監測，發現巷道受到西翼回采面影響后，表面變形主要表現為頂板下沉及保護煤柱幫內移，巷道表面持續變形直至失穩破壞。通過鉆孔窺視表明，巷道頂板及停采煤柱一側幫部圍巖破碎較嚴重，現有錨桿、錨索支護構件無法有效控制圍巖的失穩破壞。提出采用KMA-1 型超強礦用無機材料進行注漿加固，設計具體的注漿參數及工藝，加固返修后，頂板離層量微小，表面無明顯變形破壞現象，注漿加固效果良好。