疊加應力區失穩大巷注漿加固技術研究

范建峰

（山西晉煤集團趙莊煤業，山西 晉城 048000）

大采高工作面具備推進速度快、產量大等優勢，逐漸在各大礦區推廣應用[1-2]。但同時由于工作面采高、產能較大，對礦井大巷和工作面回采巷道的運輸和通風能力要求有所提高，增加了巷道的斷面大小以及巷道數量[3]。巷道斷面的增加在一定程度上增大了巷道的支護需求，特別是巷道布置數量的增加，容易造成周圍應力疊加，巷道圍巖在疊加應力的作用下發生屈服破壞，降低錨桿錨索支護效力，從而影響巷道圍巖的穩定。注漿加固技術可通過在破碎煤巖體內注入漿液，重新固化、膠結破碎煤巖體，提高巷道圍巖承載能力，重塑錨桿錨索支護載體，從而有效控制圍巖變形[4-5]。趙莊煤礦為大采高工作面，其多條盤區大巷受復雜應力影響出現底鼓、煤柱變形的現象，嚴重影響大巷的安全穩定性。因此，有必要對疊加應力區的失穩大巷展開注漿加固治理，維護大巷穩定，保證大巷安全服務礦井。

1 大巷破壞原因及控制技術分析

趙莊礦東五盤區東翼布置東五盤區東翼膠帶巷、輔運巷、回風一巷和回風二巷等四條盤區大巷，分別承擔該盤區工作面的運輸及通風任務。其中，東翼膠帶巷與5303 工作面之間布置了東翼輔運巷、回風一巷和回風二巷，回風一巷為布置在煤層頂板中的巖巷。具體巷道布置如圖1 所示。

從圖中大巷布置方式可以看出，大巷群與5303、5304 工作面為平行布置的空間關系，在工作面回采至大巷時會受到其側向支承壓力的影響。由于大巷布置數量多、距離較近，在受工作面采動影響時，巷道群的存在改變了圍巖應力分布規律，其應力分布將會疊加，互相影響。同時，由于東翼膠帶大巷與輔運巷距離近、煤柱窄，煤柱在疊加應力條件下屈服，大巷之間發生貫通破壞，造成東翼膠帶大巷破壞最為嚴重。加上大巷支護不當等原因，使得東翼膠帶巷、輔運巷和回風二巷三條大巷的3號～21 號橫川范圍內，出現不同程度的底鼓、煤柱屈服等變形現象，影響礦井安全生產。其中東翼膠帶巷破壞最為嚴重，急需進行維護治理。

圖1 大巷布置及空間位置關系

綜合以上分析可以得出，大巷發生嚴重變形破壞的主要原因是相鄰巷道間疊加應力相互影響及回采工作面側向支承壓力。隨著5303 和5304 工作面的重復采動，大巷破壞程度可能會進一步增加。因此，在對大巷加固治理時，還應加強巷道的支護強度，使得后期工作面臨近大巷時，能夠保證大巷穩定，即在注漿加固的基礎上對大巷進行補強支護。

2 注漿加固及補強支護方案

2.1 注漿加固方案

2.1.1 注漿鉆孔布置

注漿加固過程中主要對巷幫和底角進行注漿治理，以期控制巷道兩幫變形和底鼓，也為后期補強支護提供有效載體。其中，在大巷兩幫施工注漿鉆孔進行注漿，底角使用中空錨桿進行注漿。

鉆孔布置圖如圖2 所示。大巷兩幫各施工兩排鉆孔，呈“三花”布置，上排鉆孔開孔高度2.5 m，孔間距4.0 m，鉆孔仰角約5°，孔深8.0 m，孔徑42 mm；下排鉆孔開孔高度1.5 m，孔間距4.0 m，鉆孔垂直于巷幫，孔深8.0 m，孔徑42 mm；兩幫底角各施工一排鉆孔，孔間距2.0 m，俯角45°，孔深3.0 m，孔徑42 mm，采用直徑28 mm 的中空錨索進行注漿。

2.1.2 注漿材料選擇

考慮到注漿加固的時效性和圍巖可注性，注漿材料選用晉煤集團研發出的高性能聯邦加固雙液材料。該材料由雙組分無機礦粉組成，材料漿液具備較好的流動性，能夠深入煤巖體微小裂隙。單液在24 h 內不發生凝固和沉淀現象，兩種漿液混合后能夠在3～10 min 短時間內凝結、固化，具體時間可以根據工程需求調整。材料水灰比可以在0.6～1.5:1 范圍內調整，以滿足不同工程對強度的需求。該材料在不同水灰比條件下的性能參數見表1。

圖2 注漿鉆孔布置示意圖

表1 高性能注漿材料性能參數

在注漿過程中，采用雙液氣動注漿泵和攪拌桶，以適應井下特殊施工要求。注漿系統設備連接示意圖如圖3 所示。正常注漿時，材料水灰比控制在0.8～1.0:1 之間，注漿壓力控制在6～8 MPa，存在漏漿現象時適當降低水灰比和注漿壓力。

圖3 注漿系統設備連接

2.2 補強方案

在對大巷進行注漿加固后，還需對巷道進行二次補強，以期提高巷道支護強度，保證巷道后期安全服務。采用對大巷補打錨索的方式進行補強支護，在大巷原有支護的基礎上，兩幫每排補打3 根Ф22-5300-1 型錨索，巷幫上、下部錨索均距頂底板0.4 m，錨索排距1.0 m；頂板每排補打3 根Ф22-7300-1 型錨索，排距2.0 m。補強方案布置如圖4所示。

圖4 補強錨索布置

3 治理效果考察

為對注漿加固后的大巷進行效果考察，對大巷表面圍巖變形進行監測。采用十字布點法對破壞最為嚴重的東翼膠帶進行圍巖變形觀測，共布置5 個測點，分別對巷幫和頂底板移近量進行觀測。選取典型3 號測點觀測數據進行分析，其結果如圖5 所示。

圖5 大巷圍巖變形量及變形速率曲線

從圖5 中可以看出，大巷經過注漿加固后，其圍巖變形量得到有效控制。其中，兩幫移近量明顯小于頂底板移近量。注漿加固后時間延長至18 d 左右時，圍巖移近速率明顯得到放緩，之后圍巖變形量趨于穩定。注漿加固80 d 后兩幫和頂底板移近速率降低至0.5 mm/d 和1.0 mm/d 左右，并仍呈下降趨勢。這是由于注漿加固后的前期階段，注漿材料固結體強度較低，圍巖變形速率較快，但隨著材料強度的增長，巷道承載能力逐漸得到提高，其變形速率持續降低并趨于穩定。以上觀測結果及分析表明，經過注漿加固和補強支護后，大巷圍巖穩定性明顯得到提高，能夠達到安全服務礦井的需求。

4 結論

（1）結合大巷布置方式及現場破壞方式，分析了大巷變形破壞原因，即大巷之間疊加應力相互影響和工作面采動的側向支承壓力造成大巷圍巖失穩，提出注漿加固和補強支護相結合的控制技術。

（2）參考工程地質條件設計了注漿加固方案，采用高性能注漿材料對大巷進行了注漿加固治理，在提高圍巖承載能力的基礎上，對巷道進行補強支護。

（3）經過注漿加固治理后，大巷兩幫和頂底板移近量逐漸趨于穩定，移近速率穩定在1 mm/d，穩定性得到明顯提高，滿足其安全服務需求。