1232運巷過陷落柱段圍巖破壞特征及預注漿加固技術研究

趙亞楠

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司曙光煤礦，山西 孝義 032300）

1 工程概況

汾西礦業集團曙光煤業1232工作面位于一采區西翼，主采2#煤層，煤層均厚2.78m，平均傾角3°，結構簡單，穩定可采。工作面采用綜合機械化采煤工藝進行開采，煤層偽頂為泥巖，均厚0.2m；直接頂為砂質泥巖，均厚為3.2m；基本頂為粉砂質泥巖，均厚為2.35m；直接底為中粒砂巖，均厚為2.7m；基本底為粉砂質泥巖，均厚為2.2m。1232工作面運巷沿2#煤層掘進，巷道設計掘進寬度4.7m，掘進高度3.2m。地質資料顯示，在巷道掘進期間會揭露3個陷落柱，且陷落柱的長軸較長，在巷道掘進揭露陷落柱采用錨桿支護時，巷道圍巖變形量大，掘進工作面頂板易出現冒頂現象，故急需采用特定的圍巖控制措施保證巷道順利通過陷落柱。

2 陷落柱段圍巖破壞特征

巷道在過陷落柱段由于巷道支護結構的穩定性差、支護不及時以及受到動壓的影響會致使巷道圍巖變形量大，巷道易出現失穩變形，巷道變形破壞的形式主要表現在4個方面，分別為：（1）巷道變形破壞包括頂板下沉、底板鼓起及兩幫片幫速度快等情況；（2）圍巖變形速度快，變形量大，巷道圍巖區域穩定需要很長的時間；（3）圍巖變形破壞位置多，在巷道的不同位置處圍巖的變形破壞程度不同，巷道的頂板、兩幫及肩窩的位置處為易出現破壞的位置；（4）過陷落柱段的巖體存在著較強的流變性，巷道支護結構與圍巖相互作用后，巷道圍巖的變形不會立即停止，會持續變形下去。

在巷道過陷落柱段結構方面，隨著掘進工作面的向前推進，掘進工作面與陷落柱間的煤（巖）柱會逐漸減小，此時上覆巖層的重量會全部作用在掘進工作面前方的煤（巖）柱和巷道支護結構上，此時支護結構與煤（巖）柱共同承載的載荷表達式為：

式中：

F1-巷道支護結構所能提供的支護強度；

qm-掘進工作面與陷落柱間煤（巖）柱的平均應力；

l-煤（巖）柱的寬度。

根據相關研究表明[1-2]，當巷道掘進至陷落柱附近時，煤柱內的應力集中系數會達到4，當煤柱所受的平均應力qm＞煤柱的極限強度σmax時，煤柱便會發生破壞，致使掘進工作面發生大面積的冒頂事故。該階段可通過注漿、貼幫柱等措施對煤柱進行加固。

當掘進工作面通過陷落柱段時，由于陷落柱內充填物較松散破碎易出現冒頂，形成冒落拱，如圖1所示。圖中RA、RB分別為平衡拱前后腳的支撐力，L為平衡拱前后拱角的水平距離，q為平衡拱的覆巖載荷，h為拱高，f為頂鉸C與前后拱腳間的豎直距離，通過分析冒落拱的受力特征能夠得出前后拱腳的水平和垂直支撐力表達式為[3-4]：

式中：

α-頂板傾角。

根據該式能夠得知通過減小掘進空頂距利于保證冒落拱的穩定，在采動影響下，該平衡拱會發生破壞，從而使得冒落范圍和高度進一步增大。在該階段巷道掘進時應通過加快推進速度、注漿加固等措施來防止掘進工作面的冒頂和片幫現象。

圖1 冒落拱受力分析圖

3 預注漿加固技術及圍巖控制技術

3.1 超前預注漿方案

根據巷道過陷落柱段的圍巖破壞特征，決定對1232工作面運巷進行超前預注漿的方式保證巷道順利掘進通過陷落柱，對預注漿各項參數進行具體設計。

（1）注漿材料與水灰比

注漿材料選用高水速凝材料，在綜合考慮了施工條件、材料消耗及漿液固結強度等因素后，確定漿液的水灰比為1.5。

（2）注漿壓力

由于陷落柱內裂隙發育程度較差，并且設計注漿孔較深，基于此確定注漿壓力為5～6MPa。

（3）注漿孔深及布置形式

在對注漿孔深及布置形式進行設計時，應保證漿液能夠盡可能多的滲入破碎圍巖中。根據運巷的具體情況，并綜合考慮到機具條件后，確定注漿孔深為10m，每排布置4個注漿孔，中間兩個注漿孔沿著巷道的軸向布置，兩側注漿孔向巷道兩幫傾斜約10°，孔的仰角為20°，注漿孔間距為1m，排距為6m，具體注漿孔的布置形式如圖2所示。

圖2 鉆孔布置位置示意圖

（4）注漿量

為保證單孔注漿量，應保證在注漿作業時，注入的漿液能夠有效地充滿圍巖裂隙，單孔注漿量可用下式進行大致計算：

式中：

Q-單孔漿液注入量，m3；

L-鉆孔長度方向加固區厚度，m；

A-漿液消耗系數（1.2～1.5）；

R-漿液的有效擴散半徑，m；

λ-漿液的充填系數；

β-圍巖的裂隙率（1%～5%）。

（5）注漿設備

本次超前預注漿作業時，使用ZBQ-70/7氣動雙液注漿泵進行注漿作業。注漿花管長度設計為6m，并在其一端加工長度30mm的外螺紋。注漿花管上每隔0.5m打設2個直徑為5mm的小孔，用來將漿液從花管流入巖體中。在注漿孔孔口采用布袋進行封孔，防止漿液的外漏，封孔長度為2m。

（6）注漿作業流程

先在運巷掘進頭按設計用鉆機打設鉆孔，鉆孔打設完畢后為防止塌孔現象，應及時安放注漿花管。待鉆孔打設完畢且注漿花管安裝好后，進行封孔作業，待封孔結束后約40min左右時，便可開始注漿施工。巷道斷面內注漿順序為巷道頂板左側到右側依次進行注漿作業，在單孔注漿作業完成后，應及時用清水對注漿管路進行清洗。

3.2 錨桿（索）支護方案

巷道過陷落柱段超前預注漿加固后，在加固后巷道上采用原本巷道設計的錨桿（索）支護形式來控制巷道圍巖變形。1232運巷過陷落柱段巷道斷面內頂板布置5根高強螺紋鋼錨桿，型號為Φ20×2400mm，巷道幫部布置3根高強螺紋鋼錨桿，型號為Φ20×2000mm，巷道頂板錨桿的間排距為1400×800mm，巷幫錨桿的間排距為1200×800mm。根據過陷落柱段圍巖頂板易冒落、兩幫易片幫的特征，在錨桿支護的基礎上增設錨索，頂板錨索每隔4排錨桿打設兩個，即錨索的排距為3.2m，錨索長度為7.0m，設計預緊力為120kN，具體巷道支護如圖3所示。

3.3 效果分析

1232工作面運巷過陷落柱段采用超前預注漿+錨桿（索）支護的形式對巷道圍巖進行控制，現場觀測，在巷道掘進過陷落柱時未出現冒頂、片幫現象。通過布置礦壓觀測站對巷道表面位移量進行持續一個月的觀測，對超前預注漿加固及圍巖控制方案的效果進行更為確切的驗證，并將巷道采用超前預注漿加固+錨桿（索）的支護形式與巷道原本采用的錨桿支護形式下陷落柱段巷道的圍巖變形量進行對比，觀測結果如圖5所示。

圖3 巷道過陷落柱段支護形式示意圖

圖4 注漿加固前后巷道圍巖變形量曲線圖

通過分析圖4可知，巷道過陷落柱段在錨桿的支護下圍巖會呈現出持續不斷的變形。在對過陷落柱段進行超前預注漿加固+錨桿（索）的支護形式后，巷道過陷落柱段頂底板及兩幫的變形量主要出現在注漿加固后的20d內。注漿加固后巷道頂底板最大移近量為105mm，兩幫最大移近量100mm，其中頂板最大下沉量為50mm，底板最大鼓起量為55mm，有效地控制圍巖的變形。

4 結論

通過分析巷道掘進過陷落柱時圍巖的破壞特征，并結合1232工作面運巷的掘進過陷落柱時的具體情況，提出采用超前預注漿方式對巷道圍巖進行加固，然后再采用錨桿（索）的支護形式來控制圍巖的變形。礦壓監測結果顯示，采用改進的支護方案后，1232工作面運巷過陷落柱段頂底板最大移近量為105mm，兩幫最大移近量100mm，保證了巷道過陷落柱段圍巖的穩定。