晋华宫矿12 号层301 扩区回风巷泥质胶结围岩控制技术

刘文龙

（晋能控股煤业集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

0 引 言

煤炭在回采时受煤层赋存条件、地质构造等因素影响明显。当巷道在不同围岩中掘进时应针对性采取围岩支护技术[1-2]。当掘进巷道位于泥质胶结的软岩中，巷道围岩较为松软，遇水时会出现膨胀、泥化等情况，从而使得围岩支护体系中的锚杆、锚索等结构松弛、失效，巷道需要频繁的进行修整[3]。众多的研究学者对泥质胶结软岩巷道围岩控制展开研究，其中朱先龙等[4]提出将锚网索结合M 钢带、钢筋网护顶等方式强化对软岩围岩顶板控制，从而有效解决软岩顶板下沉量过大安问题；张辉等[5]提出采用分次注浆方式改善泥质胶结软岩承载力较低、围岩稳定性较差问题；康红普等[6]提出采用高预应力、高强锚杆配合注浆对软岩进行控制，通过充分发挥锚杆预应力提升围岩控制效果。上述研究成果为泥质胶结软岩巷道围岩控制提供了宝贵经验借鉴。文中以晋华宫矿12 号层301 扩区回风巷为研究对象，针对软岩围岩控制困难问题，提出采用锚注技术控制围岩变形，现场取得较好的应用成果。

1 工程概况

晋华宫矿12 号层301 扩区回风巷埋深平均620 m，该巷道主要用于采区回风。巷道设计掘进长度680 m，断面为半圆拱型。具体位置见图1。

图1 301 扩区集中回风巷

301 扩区回风巷沿着12 号煤层顶板掘进，顶底板岩层以粉砂岩、砂质泥岩为主，具体岩性参数见表1。

表1 12 号煤层顶底板岩性参数

301 扩区回风巷所在岩层为典型的泥质胶结软岩，围岩支护难度高，具体体现在；围岩本身强度低，巷道掘进后容易导致围岩破碎、失稳，难以长期维持巷道围岩稳定；岩层胶结性差，粘聚力、内摩擦角等较小，锚杆、锚索等支护结构提供的锚固力难以长时间保持，当受到采动影响时支护结构支撑力会进一步降低；围岩裂隙发育，遇水容易膨胀变形，采用常规的水泥单液甚至会增加围岩变形；巷道围岩在干燥条件下具有一定的承载力，遇水后强度迅速降低，当巷道掘进遇水时容易会出现顶板冒落等安全事故[7-8]。

如何确保301 扩区回风巷围岩稳定成为巷道掘进时需要解决的现实问题。根据矿井围岩控制经验并结合相关研究成果，提出采用中空注浆锚网索方式控制围岩变形。

2 围岩控制技术

2.1 全断面锚注加固

2.1.1 中空注浆锚杆

为了便于围岩控制，全断面锚注加固技术控制围岩变形。围岩控制采用的锚杆为中空注浆锚杆，锚杆直径、长度分别为25、3 000 mm，破断力在200 kN以上，锚固时配备采用规格150 mm×150 mm×10 mm 钢托盘。锚杆按照700 mm×700 mm 间排距布置，采用型号2850 树脂锚固剂锚固。采用的中空注浆锚杆结构见图2。

图2 中空注浆锚杆结构图

2.1.2 中空注浆锚索

采用的锚索为中空注浆锚索，直径、长度分别为29、8 300 mm，抗拉强度达到1 700 MPa，破断力为400 kN 以上，按照1 400 mm×1 400 mm 间排距布置。配合护顶采用的托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm 的钢托盘。锚固时采用2 支2850 树脂锚固剂锚固，施工完成后提供的预紧力在120 kN 以上。

图3 中空注浆锚网索结构图

具体中空注浆锚网索布置见图3 所示，在巷道拱顶中部布置1 根中空注浆锚索，两侧锚杆、锚索均呈放射状布置。在巷帮帮角锚杆有15°外插角且与底板间距在200 mm。

采用的护表结构为6 mm 钢筋编制而成的钢筋网，网孔大小为80 mm×80 mm，在中空注浆锚索间采用W 钢材连接。巷道表面喷射厚度150 mm、强度C20 混凝土层。混凝土分2 层喷射，掘进完成后立刻喷射50 mm 以便及时封堵围岩裂隙，避免岩层风化、强度降低，钢丝网铺设完毕，锚杆、锚索完成注浆后进行二次喷射，厚度为100 mm。

2.2 注浆材料选择

由于301 扩区回风巷为泥岩胶结软岩，遇水时容易出现膨胀、崩解，强度及稳定性显著降低。同时巷道在掘进时均在一定程度渗水现象，因此锚杆、锚索注浆时需要解决下述问题：

1）采用无机材料（水泥浆）时，如何避免注浆浆液中水对围岩影响。

2）注浆后围岩形成的加固体应能有效阻断导水裂隙。

3）采用的注浆材料时，应满足渗透半径大、渗透率高等要求，同时注浆材料应具备一定膨胀性，确保裂隙可被注浆浆液完全充填。围岩被注浆浆液胶结后强度及稳定性均应得到一定程度是提升。

在注浆时若选用化学注浆材料显然可满足要求，但是却存在注浆成本高昂问题，经济性不合理；选用水泥浆不能满足注浆加固需要。综合分析，决定选用亲泥性泥岩注浆材料进行围岩注浆加固。具体亲泥性泥岩注浆材料与水泥浆性能参数见表2。

从表2 可看出，在水灰比相同的情况下亲泥性泥岩注浆材料、水泥浆粘度分别为18 MPa·s、18 MPa·s，亲泥性泥岩注浆材料要明显低于水泥浆，从而在围岩裂隙中具有更好的扩散性能；亲泥性泥岩注浆材料初凝、终凝时间也明显小于水泥浆；亲泥性泥岩注浆析水率也更低。此外，亲泥性泥岩注浆材料与泥岩具有更好的胶结能力；因此，根据301 扩区回风巷注浆加固需要，最终中空注浆锚杆、中空注浆锚索注浆加固材料均选择亲泥性泥岩注浆材料。

表2 亲泥性泥岩注浆材料与水泥浆性能参数

3 围岩控制效果分析

待301 扩区回风巷采用中空注浆锚杆、中空注浆锚索加固围岩后，对巷道围岩变形进行监测。具体围岩变形量以及变形速度监测结果见图4、图5。

图4 围岩变形量监测结果

图5 围岩变形速度测结果

从图中看出，在巷道初期掘进阶段（10d 内）巷道围岩变形量增加速度为1.0 mm/d，变形量值接近10 mm；掘进支护完成后10d 后围岩变形量及变形速度均快速降低，支护完成40d 围岩变形量基本趋于稳定，最终顶底板变形量稳定在19 mm、巷帮变形量稳定在16 mm。

4 结 论

1）301 扩区回风巷在泥质胶结软岩中掘进，在掘进影响、围岩应力等因素综合影响下导致围岩变形量较大，采取常规的锚网索支护时围岩支护体系容易出现失效，从而无法起到有效控制围岩变形目的。

2）在分析导致围岩变形量过大原因基础上，提出采用锚注方式控制围岩变形，具体是采用中空注浆锚杆、中空注浆锚索对围岩进行全断面注浆，从而显著提升围岩承载能力及稳定性。为了降低围岩注浆加固成本，注浆材料选择亲泥性泥岩注浆材料。

3）现场应用后，301 扩区回风巷顶底板、巷帮变形取得显著的围岩控制效果。研究成果可为其他矿井掘进遇泥质胶结软岩围岩控制提供借鉴参考。