21026 工作面破碎围岩巷道注浆加固工艺研究

李晓波

（晋能控股煤业集团四台矿，山西 大同 037000）

1 概况

四台矿21026 工作面位于410 盘区，开采的14#煤层厚度为7.8 m，倾角为3°～11°。该煤层基本顶为粉粒砂岩，直接顶为石灰岩，伪顶为泥质灰岩。21026 工作面长度为1345 m，回采巷道为4.5 m×3.2 m 矩形，回采巷道围岩岩性相对较差，掘进回采作业产生的动压影响使得巷道围岩稳定性差，破碎程度较为严重。

2 21026 工作面掘进巷道围岩应力与变形规律

21026 工作面回采巷道掘进时对巷道围岩应力和变形规律进行监测，根据监测数据绘制了应力等值线图1（左）和不同采空区距离下的垂向应力值曲线图1（右）。

图1 21026 工作面掘进巷道围岩应力等值线（左）和垂向应力曲线（右）图

通过应力等值线图可以看出，随着掘进作业的实施，巷道围岩失去了原来的应力平衡状态，在垂向上应力发生了不同程度的变化。通过对比原巷道应力资料，掘进作业后巷道应力变化存在增大区和降低区。从垂向应力曲线图上可以看出，巷道顶部应力集中最大值达到30 MPa 左右，对比原巷道应力数据，增加了约5 MPa；巷道帮应力集中区域出现在距离采空区25～30 m 之间，应力集中最大值为18 MPa 左右，对比原巷道应力数据，增加了约2.4 MPa。由此看出，掘进作业导致的巷道顶部应力集中变化大于巷道帮集中应力变化。

监测掘进巷道围岩垂向变形以及不同位置的巷道顶底板变形距离，绘制巷道变形等值线图2（左）和变形值曲线图2（右）。

图2 21026 工作面掘进巷道顶底板变形等值线（左）和变形值曲线（右）图

掘进巷道围岩变形的直观表现为顶板出现下沉移位，底板出现底鼓变形，巷道两帮则为移近量。掘进作业导致顶板下沉最大和底板底鼓量最大处均为巷道中部，顶板下沉最大值为160 mm 左右，底板最大底鼓量为50 mm 左右，均出现在巷道表面。随着巷道表面内部深入，顶底板变形量都在减小，在距离表面4 m 的巷道内岩层，变形量趋于稳定。结合等值线中的“0”变形线位置，说明掘进巷道整体已出现了微量下沉。

3 21026 工作面巷道注浆加固工艺参数确定

最常见的深浅注浆加固工艺是对巷道顶板进行浅部注浆管注浆和深部锚索注浆，对巷道两帮则采用锚索注浆加固[1-6]，注浆参数是工艺实施的关键。

（1）注浆材料配比。采用高水速凝材料作为注浆液主要材料，其中高水速凝的主要成分是硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰、速凝剂、悬浮剂等，水灰比为1.6:1，形成的浆液固结体性能能够稳定工作面掘进巷道应力和形变。

（2）注浆压力。注浆压力需要根据围岩性质，即岩层的裂隙情况、岩层的渗透性质、要注浆的深度以及注浆方向和浆液固液比等确定。通过试验，21026 工作面围岩岩层在存在明显的裂缝情况下，注浆压力可以选择1.8～2.2 MPa，裂缝不明显的情况下，注浆压力选择0.8～1.0 MPa，能够将注浆液稳定输送到岩层内部。对于特殊破碎程度严重的顶底板，最大注浆压力不能超过3.5 MPa。

（3）注浆量。注浆量确定最直接的方法是，对围岩裂缝或注浆管注浆时，在一定时间内和注浆压力下出现不再吃浆时即认为注浆完成。但为了一次性将浆液配置好，需要在工艺实施前对注浆量有大体估算，估算公式为：

式中：Q为估算的注浆量，m3；A为浆液的消耗系数，取1.3；L为拟加固的深度，m；R为注入裂隙后浆液的扩散范围半径，m；B为围岩的裂缝率，取3.5%；C为浆液的充填系数，取0.8。

（4）注浆孔设置与孔深。根据21026 工作面掘进巷道岩层性质，巷道顶部宽度方向布置2 个浅部注浆孔，孔径为42 mm，孔深2500 mm，孔间距为1500 mm，排间距为1600 mm；3 个注浆锚索孔，孔径为32 mm，孔深8000 mm，孔间距为1250 mm，排间距为1600 mm，中间的注浆锚索孔垂直于顶板，两边的注浆锚索孔与顶板成70°角度；巷道两帮分别布置2 个锚索注浆孔，间距1100 mm，孔方向与水平方向成10°角度，孔径为32 mm，孔深5000 mm，孔距1400 mm，同样与水平方向成10°角度，排间距均为1600 mm。注浆孔布置完成后，在顶部浅部注浆孔内装设注浆管，深部锚索注浆孔内装设中空注浆锚索，两帮注浆孔内装设中空注浆锚索。注浆孔布置图如图3。

图3 21026 工作面掘进巷道注浆孔设置示意图（mm）

4 21026 工作面巷道注浆加固工艺实施[7-10]

（1）顶部浅部注浆加固工艺实施

首先按照巷道顶部宽度方向布置2 个浅部注浆孔，孔径为42 mm，孔深2500 mm，孔间距为1500 mm，排间距为1600 mm。采用6433 型风钻安装Φ42 mm 钻头进行打孔作业，然后向注浆孔内淋上聚氨酯和浆液混合物，完成后将Φ42 mm×2500 mm 的注浆管插入到注浆孔内，插入长度不能小于200 mm，利用注浆泵连接注浆软管向插入到注浆孔的注浆管进行注浆。实时监测注浆管内压力，待压力达到上文说明的注浆压力时，关闭注浆阀门，完成注浆。

（2）中空注浆锚索注浆加固工艺实施

首先采用气动式顶锚杆钻机以及Φ32 mm 钻头按照上文提到的锚索排布方式进行打孔作业，两帮注浆孔可以与综采队配合穿插作业。注浆锚索选用K2360 药卷实现锚固，将药卷绑定在锚索上，通过搅拌机将锚索推送到注浆孔底部。送入注浆孔的药卷凝固约1 h 后，进行锚索托盘和锁具的安装，采用张拉千斤顶进行锚索拉伸。实时监测锚索张力，按照锚索说明张力达到48 MPa 时，完成锚索拉伸，拆除张拉千斤顶设备。此时要求锚索在注浆孔外的长度不能小于200 mm，以便锚索固定。固定锚索选用8#铅丝，将锚索与金属网相连，铅丝在锚索和金属网上的缠绕圈数不低于5 圈。

5 应用效果

为了探究21026 工作面掘进巷道注浆加固工艺实施效果，对注浆后的巷道围岩深部进行观察。选用机电科现有的ZKXG100 型矿用钻孔窥视仪对巷道顶部不同深度的注浆围岩加固情况进行观测，如图4。

分析探孔效果图，图中黑色部分为岩层中的煤炭，白色部分为注入围岩内的注浆液凝固后的状态，灰色部分则是巷道顶板的岩层。0.5 m、1.0 m 和2 m 深处照片显示围岩的破碎程度非常严重，白色即注浆液则很好地填充到了岩层和煤层的破碎裂缝中，且结合牢固稳定，探孔内表面较为光滑，进一步说明注浆液固结效果明显；4.0 m 以下的照片看出岩层占比逐渐增大，深部的岩层破坏程度远远小于浅部的，且大部分裂缝规则，白色注浆液也能充分填充，说明注浆液能够对深部裂缝起到加固作用；8.0 m 处岩层稳定性好，裂缝少，因此注浆液没有达到该深度。总之，通过探孔观察可以看出，注浆加固工艺能够对浅部和深部巷道围岩的破碎裂缝进行填充，且加固效果显著。

6 结语

针对四台矿21026 工作面掘进回采作业动压导致巷道围岩破碎程度严重的问题，进行注浆加固工艺研究，形成以下结论：

（1）21026 工作面掘进作业后巷道应力变化存在增大区和降低区，巷道顶部应力集中变化大于巷道帮集中应力变化；巷道顶板下沉最大和底板底鼓量最大处均为巷道中部，掘进巷道整体已出现了微量下沉。

（2）注浆加固工艺注浆材料采用高水速凝材料，围岩岩层存在明显裂缝处注浆压力选择1.8～2.2 MPa，裂缝不明显处，注浆压力选择0.8～1.0 MPa，对于特殊破碎程度严重的顶底板，最大注浆压力不能超过3.5 MPa。

（3）顶部浅部注浆工序为注浆孔布置、封孔、注浆；中空注浆锚索注浆加固工艺步骤为打锚索注浆孔、上注浆锚索、张拉锚索和锚索注浆，均需在注浆半小时后确定注浆液固定后再拆除注浆设备，完成注浆。

（4）为了探究注浆加固工艺实施效果，选用ZKXG100 型矿用钻孔窥视仪对巷道顶部0.5～8.0 m注浆围岩加固情况进行观测。照片显示探孔内表面较为光滑，说明注浆液填充效果显著，围岩固结稳定效果明显。