石港煤業15210進風巷圍巖注漿加固技術應用

（山西石港煤業有限責任公司，山西 左權 032600）

1 工程概況

山西石港煤業有限責任公司15210綜采工作面位于15#煤二采區，東南部為二采區準備大巷，北部為正在回采的15208工作面，南部為15212工作面（未掘進），西部為無主礦界，15210工作面具體位置見圖1。15210進風巷設計長度為774m，巷道在15210進風系統巷R252測點前7m處開口，沿15#煤頂板掘進40m，按16°下坡掘進30m，掘至15#煤底板，沿15#煤底板向前掘進，巷道平均坡度為8°，15210進風巷煤巖層厚度、巖性見表1。15210工作面回采初期，進風巷圍巖出現明顯的過度變形和破壞，亟需采取一定的技術措施進行圍巖加固，確保工作面的安全高效回采。

圖1 15210工作面位置關系

表1 15210綜采工作面進風巷頂、底板巖性情況

2 15210進風巷原有支護方案及破壞特征

2.1 原有支護

15210進風巷永久支護方式為錨網梁聯合支護，掘進斷面尺寸（寬×高）為4500 mm×3200 mm，頂板支護材料為：Φ22 mm×2000 mm高強度螺紋鋼錨桿、Φ18.9 mm×8300 mm鋼絞線錨索、六孔W型鋼帶（長、寬、厚=4300 mm、80 mm、8 mm）、Φ6.5 mm鐵絲制成的網孔為150 mm×150 mm的菱形網，錨桿布置間排距800 mm×800 mm，頂角錨桿向外側傾斜20°，錨索間排距為1250 mm×1600 mm，垂直頂板安裝。兩幫采用錨桿和金屬網與頂板規格相同，每排5根，間排距700 mm×800 mm，靠近頂角的錨桿與水平方向呈20°的夾角，其余沿水平方向布置。15210進風巷原有支護方案見圖2。

圖2 15210進風巷支護方案

2.2 礦壓顯現特征

15210進風巷掘進期間受到臨近工作面的采動影響及采空區側向支承壓力的影響，掘巷前期圍巖發生一定的變形，成巷約兩周后圍巖基本穩定，巷道斷面滿足正常使用的要求。15210工作面投入生產初期，15210進風巷受到超前支承壓力和臨近采空區側向支承壓力的復合影響，超前工作面一定范圍內的巷道圍巖發生劇烈的礦壓顯現，主要表現為頂板快速下沉，煤柱幫片幫嚴重。工作面回采約60 m后，采用單體液壓支柱超前工作面50 m進行加強支護，前方巷道表明開始逐漸變形，巷道兩幫圍巖擠壓破碎，局部出現冒頂、網兜等現象，頂板最大下沉量達650～750 mm，煤柱幫局部位移量達450～550 mm，實體煤幫局部位移達300～380 mm，煤柱幫破壞更加嚴重。原有支護失效，頂板錨桿平均每排失效1～3根，個別錨索失效，煤柱幫錨桿局部失效1～2根，斷面已無法滿足其正常使用的需求。因此，需要采取適當的措施對巷道圍巖進行加固。

3 15210進風巷圍巖加固技術

根據現場勘查結果可知，15210進風巷原有支護方案無法抑制松動圈的擴展，可通過注漿法將破碎圍巖膠結成一個整體[1-2]，從而改善巷道圍巖的受力特征，達到控制巷道圍巖失穩破壞的目的。

3.1 破碎煤體注漿固結強度研究

15210進風巷圍巖主要為松軟破碎的煤層，設計采用中國礦業大學研制的ZKD高水速凝材料[3-4]，為取得良好的加固效果，進行不同注漿參數對煤體固結強度影響的研究。由于漿液的水灰比對加固效果非常關鍵，因此分別進行水灰比為1.5:1、1.8:1、2.0:1條件下漿液膠結煤體的實驗。在15210進風巷現場進行取樣，將取來的完整煤體加工成1×10-3m3的立方體試樣，破碎的煤體分別注入不同水灰比的漿液后加工成相同尺寸的試樣，注漿量為320 ml，養護48h后，進行單軸抗壓強度試驗，試件見圖3。

圖3 各類型試件圖片

整理得到試驗平均單軸抗壓強度和水灰比的變化曲線見圖4。可以看出，ZKD高水材料漿液水灰比為1.5:1、1.8:1、2.0:1條件下，試樣的平均單軸抗壓強度分別為4.79MPa、2.93MPa、2.15MPa，隨著漿液濃度的增大（水灰比減?。?，試樣的強度逐漸增大，水灰比由1.8:1減小為1.5:1時，試件強度增大最為顯著，故本次研究選用水灰比為1.5:1的高水注漿材料。

圖4 試樣強度與漿液水灰比的關系

為便于理解和敘述，將注漿固結試樣單軸強度與完整試樣單軸強度的比值定義為強度恢復系數；將注漿固結試樣殘余強度與完整試樣殘余強度的比值定義為固結系數。由表2可以看出，注漿固結體的單軸抗壓強度為完整煤樣的26.1%～28.8%，注漿加固體試樣的殘余強度明顯大于完整煤體，其固結系數達1.80～2.25倍，注漿加固可使煤體破碎后的強度提高1.80～2.25倍。綜上分析可知，水灰比為1.5:1高水速凝材料加固后，一定程度提高了松軟破碎煤體的完整性和強度，并大幅度提高煤體的殘余強度，阻止了巷道圍巖的松動圈擴展，從而有效地改善巷道表面位移情況。

表2 完整煤塊試樣和注漿固結體力學實驗結果對比

3.2 注漿加固方案設計與應用

石港煤業15210進風巷采用ZKD高水速凝材料注漿加固，其水灰比為1.5:1。參考相關研究成果[5-6]，巷道淺部圍巖破碎嚴重，而深部的圍巖破碎程度較輕且裂隙開度較小，當采用注漿法加固煤巖層時，圍巖破碎嚴重時注漿壓力一般不超過2MPa，圍巖較完整時注漿壓力不超過5MPa。為取得較好的注漿加固效果，淺部圍巖通過注漿管注漿，在巷道頂板原有支護的三根錨索之間布置兩個注漿孔，注漿孔直徑為42 mm，深度為2500 mm，間排距1500 mm×1600 mm，距離巷幫1500 mm，垂直頂板施工，注漿壓力為1～2MPa。頂板注漿孔直徑為32 mm，深度為8000 mm，每排三個注漿孔，布置在原有支護未安裝錨索的兩排錨桿之間，間排距1250 mm×1600 mm，采用Ф22 mm×8300 mm的中空注漿錨索，圍巖淺部注漿管與深部注漿錨索交替布置，注漿壓力4～5MPa；煤柱幫注漿孔直徑為32 mm，深度為5000 mm，間排距為1100 mm×1600 mm，每排兩根，采用Ф22 mm×5300 mm的中空注漿錨索，深孔注漿壓力為3～4MPa。注漿孔的布置見圖5。

圖5 15210進風巷圍巖注漿孔布置

4 15210進風巷圍巖注漿加固效果考察

為考察15210進風巷圍巖注漿加固效果，在15210工作面恢復生產后，超前工作面100 m布置巷道表面位移監測站，直至工作面推進至測點附近，其監測點處巷道頂板下沉量為350 mm，巷道兩幫相對移近量為500 mm，巷道圍巖穩定，能夠滿足正常生產要求。

采用鉆孔窺視儀對頂板巖層進行窺視，其有代表性的結果見圖6，圖中黑色部分為煤體，白色部分為漿液凝固體，灰色部分為巷道頂板巖層。根據現場窺視結果分析總結可知，巷道頂板0～3.0m范圍內，破碎煤體由漿液充填固結，煤體完整，注漿固結效果較明顯；巷道頂板3.0～6.8m范圍內，圍巖內的節理、裂隙由漿液充填，起到良好的膠結作用。

圖6 頂板鉆孔觀測注漿效果

5 結語

1）設計采用高水速凝材料對15210進風巷進行加固，通過實驗室確定最佳水灰比為1.5:1，注漿后圍巖的殘余強度可提高1.80～2.25倍，注漿能夠顯著提高巷道圍巖的整體性。

2）設計采用注漿錨桿、中空注漿錨索對巷道頂板和煤柱幫進行加固，通過鉆孔窺視表明：巷道頂板0～3.0m范圍內，破碎煤體由漿液充填固結，煤體完整，注漿固結效果較明顯；巷道頂板3.0～6.8m范圍內，圍巖內的節理、裂隙由漿液充填，能起到良好的膠結作用。

3）對巷道圍巖進行注漿加固，可以使巷道位移量顯著減小。