伊田煤业松软破碎围岩注浆加固技术研究

马富君

(潞安集团 蒲县伊田煤业有限公司，山西 蒲县 041200)

随着我国煤炭开采深度的不断增大，巷道所受的地应力逐渐增大、地质构造逐渐增多，尤其在地质构造区域，采掘作业的进行会打破破碎围岩体原有弱面非连续介质的平衡状态，使得巷道产生较大的变形，释放大量的能量。针对构造破碎围岩体采用普通锚网索支护或架棚支护不能有效控制巷道围岩的变形，易出现锚杆索失效、钢棚受压弯曲等现象，为保障巷道围岩的稳定，需对构造破碎围岩体进行加固处理。根据伊田煤业11#煤带式输送机大巷过断层、陷落柱段围岩体变形的具体特征，结合注浆加固机理对巷道采用复合材料注浆加固的方案，提升巷道围岩体的整体承载能力，为矿井安全高效生产提供保障。

1 工程概况

山西潞安集团伊田煤业有限公司11#煤带式输送机大巷沿东西方向布置，主要用于二水平煤炭开采运输及行人，巷道沿11#煤层底板掘进，煤层均厚为5.17 m，巷道断面为直墙半圆拱形，净宽4.2 m×净高3.7 m，采用锚网+锚索+29U型钢棚联合支护的方法进行支护。巷道所处区域地质构造较为发育，属于松软破碎围岩，共5处区域受陷落柱及断层的影响较为严重，在现有支护方式下围岩变形量大，顶底板最大移近量900 mm，两帮最大移近量为1 500 m.巷道受地质构造影响围岩变形严重区域见图1.

图1 11#煤带式输送机大巷5处需补强加固位置示意图

2 注浆加固机理分析

注浆加固指的是通过物理或者化学的方法，利用注浆泵或其他手段，将能够固化且渗透性强的材料按一定比例配制成浆液注入破碎围岩裂隙当中，提高并改善围岩体的强度，具体注浆加固的作用如下：

1)压力拱充填加固作用。注浆加固能够有效提高浅部破坏围岩的内聚力和内摩擦角，是压力拱强化的一种有效方法。注浆不仅提高压力拱内岩体的强度，而且增加压力拱的整体性，改善压力拱的受力情况，提高压力拱的承载能力，维持巷道围岩稳定性[1].根据库伦理论可知，煤岩体抗剪强度的表达式为：

τ=c+σtanφ

(1)

式中：

τ—岩体抗剪强度，MPa；

σ—正应力，MPa；

c—岩体的内聚力，MPa；

φ—内摩擦角，(°).

当松软破碎围岩注浆加固后，能够对围岩中的节理裂隙、孔隙区域进行有效充填并压密，保障被注浆液能够与围岩裂隙面形成有效的胶结，提升煤岩体整体的内摩擦角和内聚力(内聚力c能够提高40%～70%，使莫尔圆远离强度包络线)，进而提升破碎围岩体整体的抗剪强度及承载能力。

2)注浆为锚杆提供可靠的着力基础。普通的锚杆进行支护作业时，一般采用端头锚固的形式，其锚固效果与全长锚固的效果相比，承载能力相差较大。注浆加固后锚杆的支护理论及实践研究表明[2-3]，锚杆采用端头锚固后进行注浆加固，能够有效地将锚杆在围岩体内变为全长锚固，提高锚杆的支护强度，加强巷道浅部围岩的承载能力。端头锚固注浆前后锚杆锚固力与巷道位移关系见图2.

图2 两种锚固方式锚杆锚固力与巷道变形的关系图

3)浆液起到支撑结构的作用。当浆液在注浆压力作用下沿破碎围岩内部裂隙逐渐向四周扩散，由于围岩内部裂隙之间都是相互连通的，所以浆液充填凝固后，会形成由浆液组成的网络结构，该网络结构充当骨架支撑破碎的围岩体[4]，使得围岩又重新恢复到整体形态，围岩强度得到明显改善。具体注浆凝结体的骨架结构见图3.

图3 注浆骨架作用示意图

3 注浆加固技术

3.1 方案设计

1)注浆材料：11#煤带式输送机大巷注浆材料使用复合材料，复合材料及其比例为水∶(水泥+JCT-2复合剂)∶JCT-3固化剂=0.5∶(0.85+0.15)∶1.5.

2)注浆深度：根据11#煤带式输送机大巷过陷落柱、断层段的具体情况，选择顶孔、拱肩孔和帮孔的注浆深度均为3 m.

3)注浆压力：根据使用复合材料的性能，结合巷道松软破碎段围岩的具体情况，为保障在加固松软破碎岩体时，不会产生注浆压力过大，劈裂凝结体的现象，最终确定注浆压力为2～4 MPa.

4)注浆孔布置：注浆钻孔排距3 m，孔深3 m，巷道断面上布置1个顶孔、2个拱肩孔和2个帮孔，顶孔垂直布置，拱肩孔与水平方向成50°布置，帮孔沿水平方向布置，具体注浆孔的布置位置见图4.

图4 11#煤带式输送机大巷松软构造段注浆孔布置图

5)单孔注浆量：每米巷道的注浆量Q可用下式进行估算[5]：

Q=ρλβηL·(2h+b)

(2)

式中：

λ—浆液损失系数，取1.2～1.5；

β—浆液充填系数，取0.6～1；

η—巷道或硐室围岩裂隙率，取1%～5%；

L—钻孔长度方向加固区厚度，m，取3.0；

h—矩形断面巷道的高度或拱形断面巷道的直墙高度，m，取1.5；

b—矩形断面巷道的宽度或拱形断面巷道的拱长，m，取6.6;

ρ—浆体密度，kg/m3.

根据11#煤带式输送机大巷松软破碎围岩的具体情况，取λ=1.4，β=0.6，η=3%，ρ=1 585 kg/m3，h=1.5 m，b=6.6 m，L=3.0 m.代入式(2)，能够计算出每米巷道注浆量Q=1 150.3 kg，平均每3 m巷道布置5个注浆钻孔，保障单孔注浆效果，浆液30%的富裕系数，注浆压力在控制范围内时，单孔注入的浆液量最少为0.897 t.

3.2 注浆过程控制

巷道松软破碎围岩段注浆加固作业时，注浆的施工流程：打设钻孔→安装注浆花管→封孔→拌和浆液→开泵注浆→停泵卸压→移至下一个钻孔注浆。

11#煤带式输送机大巷在进行注浆作业施工时分两个循环完成，第一个循环布置注浆孔的排距为6 m，为保障浆液在巷道断面内均匀的分布，并减少注浆钻孔的堵塞，在一循环注浆作业时，采用小分段前进式的注浆方式，设置注浆小分段的长度为12 m.

小分段前进式注浆的步骤如下：

1)进行巷道左帮孔注浆作业，当左帮孔的注浆长度达到12 m时，转移钻机及注浆设备到巷道右帮注浆长度12 m的开端位置。

2)钻机及注浆设备转移到巷道右帮12 m开端位置后，依次进行12 m范围内右帮注浆钻孔的注浆作业。

3)当巷道右帮12 m范围的注浆作业完成后，进行12 m范围内顶孔的打孔注浆作业。

4)当巷道12 m范围内的顶孔注浆作业完成后，依次进行左拱肩孔和右拱肩孔12 m范围的打孔注浆作业。

第一循环注浆孔布置位置、注浆流程，一循环二循环钻孔全部打设完后的钻孔布置形式见图5.图5a)中，巷道走向按照(1)→(2)→(3)→(4)→(5)的顺序依次进行打孔注浆作用，巷道断面按照①→②→③→④→⑤的顺序依次进行打孔注浆作业。图5b)中，一循环、二循环注浆孔呈五花布置，排距6 m.

图5 小分段前进式的注浆孔布置位置、施工流程示意图

3.3 注浆效果分析

松软破碎围岩体内注浆加固作业为隐蔽工程，在注浆结束后注浆效果不能直观显现，为分析该次松软破碎围岩的注浆加固效果，采用CXK12矿用钻孔窥视仪在井下现场注浆区域钻孔并进行窥视分析，可清晰地观察到注入凝结的浆体材料，验证了注浆加固效果。

在注浆区域巷道围岩内钻孔并进行窥视，共计窥视8个钻孔，窥视钻孔布置在距离注浆花管0.3 m和1.5 m的位置，每段注浆区域顶板和帮部各布置2个窥视钻孔。钻孔窥视结果见图6.

图6 注浆钻孔窥视局部实际效果图

由图6可知，在围岩0～0.15 m可明显观察到喷浆层和凝结固化呈现暗灰色的注浆材料；在0.15～2 m可清晰地看到破碎围岩的裂隙内充满了凝结的注浆材料，破碎围岩被有效地胶结在一起；在2～3 m钻孔壁致密完整性较好，说明注浆材料在巷帮围岩内扩散范围较大，渗透均匀，达到了注浆方案预想的目的。另外，根据注浆后巷道围岩变形量的现场观测结果可知，注浆加固后60 d内围岩的顶底板及两帮的最大变形量仅为15 mm，保障了围岩的稳定。

4 结 论

根据11#煤带式输送机大巷围岩变形情况，通过分析注浆加固作用的原理，进行松软破碎围岩注浆加固方案的设计，注浆加固后采用钻孔窥视的方法验证了注浆加固效果，浆液有效加固了3 m范围内的破碎围岩，保障了巷道松软破碎围岩的稳定。