巷道過斷層破碎帶注漿加固支護技術應用實踐

李 平

（大同煤礦集團設計研究有限責任公司山西大同037003）

0 引言

礦井巷道掘進過程中經常會穿過一些褶皺、斷層等地質構造帶，地質構造帶的存在造成影響范圍內煤巖體有不同程度損傷破碎，當巷道穿過煤巖體破碎區域時可能出現冒頂、片幫、底鼓等安全事故[1-3]。據相關資料顯示，冒頂作為井下最常見的頂板事故，約占礦井事故的40%以上，而掘進冒頂事故約占礦井冒頂事故的70%以上[4]。因此，如何加強斷層破碎帶區域巷道圍巖穩定是實現礦井安全高效生產的重要基礎。

針對巷道掘進過斷層破碎帶時巷道支護困難、施工危險的問題，國內外學者進行了大量的研究和實踐[5-7]。盡管巷道過斷層破碎帶支護技術已取得了豐碩的成果，但巷道過斷層破碎帶注漿加固技術還需進一步完善。鑒于此，本文以大同煤礦集團北辛窯礦南翼輔助運輸巷及聯絡巷為工程背景，在“錨網索+W鋼帶+礦工鋼+水泥背板”的基礎上進行注漿加固聯合支護，有效保證了巷道圍巖的穩定，可為同類巷道進行注漿加固支護技術提供參考。

1 工程概況

北辛窯煤礦14 采區揭露落差為2.5 m，走向為76°，傾角為80°的斷層，該斷層直接將2煤區域頂板下沉2.5 m，造成圍巖破碎且松軟，膠結性差，特別是2煤南翼輔助運輸大巷I 段里程70 m～78 m 與99 m～120 m段，+1 040 m 南翼輔助運輸大巷 1 340 m～1 395 m 段，15 聯絡巷里程16 m～38 m 段；同時斷層破碎帶造成巖石裂隙導水，對工作面安全生產帶來重大安全隱患。因此，嚴重影響井下正常作業有序開展的同時造成巨大的經濟損失，故需對上述巷道斷層破碎帶架棚區域進行注漿加固支護。

2 斷層區域巷道破壞機理分析

（1）斷層是巖層上下盤錯動發生明顯位移的地質構造，因此斷層上下盤之間的斷層帶內巖石較破碎且夾雜大量泥石混合物，內雜物遇水會有明顯的膨脹性，會對巷道圍巖產生擠壓作用，不利于巷道支護。

（2）巷道過斷層帶的圍巖破碎較為嚴重，且膠結性較差，在巷道開挖擾動下，應力重新分布非，極易發生大面積破碎與垮落現象。

（3）由于斷層區域處構造應力較為復雜，巷道穿過斷層時，其軸向與構造水平應力往往會存在一定的夾角。夾角的存在使得巷道原本破碎的頂底板在水平應力的影響下更易發生剪切及拉伸破壞，進而使得斷層處巷道圍巖整體發生失穩破壞。

3 巷道過斷層帶注漿加固支護技術

3.1 注漿加固方案設計

目前以上四處區域均架棚支護，且使用水泥背板接頂充填并已噴漿，設計方案中：每排打設7根3 m長注漿管進行注漿，如圖1所示。具體如下：用錨桿鉆機打設注漿孔并穿注漿管，然后進行壁后注漿，將鋼棚與圍巖充填水泥背板的內部空間用漿液充填灌滿；注漿孔按照3 m一排布置，每排7根，即正頂一根，兩側肩窩至墻各三根，將鋼棚與圍巖充填水泥背板的內部空間用漿液充填灌滿。此外，采用φ42 mm 鉆頭鉆孔，3 m長φ40 mm鍍鋅管，可確保注漿管穿入巖壁2 m以上。

圖1 注漿管布置示意圖

3.2 注漿加固支護施工工藝流程

（1）現場試驗

在確定施工具體工藝參數前，進行現場施工試驗，本次施工試驗段選取巷道一段即1 340 m～1 395 m 范圍。基本工藝參數如下：根據注漿壓力、深度變化調整壓力；保持固定壓力0.5 h，觀測注漿量，進行記錄；注漿完成，采取鉆孔窺視法對注漿充填率進行注漿前后成果檢查對比，進而根據試驗數據確定本次注漿工藝參數。

（2）定注漿孔下套管

根據設計注漿孔位置并鉆設注漿孔，直徑42 mm，深度2 m，下入直徑φ40 mm 套管，安裝套管，采用水泥進行加固封閉套管，然后進行耐壓試驗，圖2所示。

（3）壓水試驗

在每次注漿前后均應進行壓水試驗，注漿前后的壓水試驗可以沖洗鉆孔、檢查注漿效果、測定地層吸水率和透水性能等，為泵壓、泵量和漿液配比的選擇確定提供可靠依據。

圖2 定注漿孔下套管示意圖

（4）注漿

注漿加固目標層位為K3砂巖含水層，采用分段下行式注漿配合孔口止漿方式；若注漿孔在施工過程遇較大空洞、裂隙而導致無法繼續鉆進時，注漿段可根據實際情況進行調整；注漿需達全鉆孔注漿標準，反之每次注漿后均需壓水；如注漿材料為雙料漿液，則停止注漿后待孔口壓力歸零立即掃孔。

具體注漿施工工藝如下：在套管法蘭盤上安裝注漿管口，連接高壓球閥。根據漿液流量、注漿壓力特征動態調整漿液水灰比，采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，各鉆孔可根據實際注漿情況依照水灰比1:1、0.9:1……0.5:1等級別進行漿液稀稠調節，首次開注水灰比可采用1:0.4比級，必要時可灌注水泥-水玻璃漿液，水玻璃采用模數為2.4～3.4，濃度為30～45 波美度。注漿泵選用2ZBSB1.92～7.2/10.5～3-11雙液變量注漿泵，注漿前后控制漿液由稀到濃，根據具體情況逐步提高漿液濃度和注漿壓力；注漿隨深度的不同，注漿壓力應隨時調節，當注漿達到下列標準時，可結束該孔注漿：①注漿段注漿壓力最終注漿壓力（≥3 MPa），10 min持續注漿量不大于5 L/min；②當注漿孔口壓力突然上升時，注漿難以注入時。注漿過程中檢查壓力、流量、漿液及周圍環境變化，認真記錄并及時調整注漿參數，做到施工過程動態控制，記錄注漿時間、漿液消耗量及注漿壓力等數據，觀察壓力表值，監控聯通裝置，避免因壓力猛增而發生異常情況。

（5）封孔

注漿結束后，及時進行封堵注漿孔，封孔采用“全孔注漿封孔法”施工法。

4 注漿加固支護效果分析

監測數據表明，雖然對目標區域進行了大范圍注漿，仍不能完全抵制圍巖蠕變變形，但頂板變行在可控范圍內。通過注漿，破碎帶巖體中孔裂隙造成的缺失空間得到有效充填，弱化了巖體應力集中程度，并使得裂隙附近巖體由二向受力狀態轉變為三向受力狀態；此外，注漿還有效遏制了開挖后圍巖的漸近弱化，增大了圍巖的強度與變形模量，最終提高了巷道圍巖穩定性。這表明注漿加固護支護技術效果良好，能有效保障井下作業安全高效開展。

5 結論

（1）巷道處于斷層破碎帶時，圍巖破碎較為嚴重，且膠結性較差，親水礦物易膨脹崩解，在巷道開挖擾動下，應力重新分布非，極易發生大面積破碎與垮落現象，進而使得巷道圍巖呈現穩定性差、較為破碎以及易導水等特征。采用原有巷道支護方式時，無法滿足軟弱關鍵部位的支護剛度和強度要求，巷道控制效果差。

（2）提出一種聯合支護方式，在“錨網索+W鋼帶+礦工鋼+水泥背板”的基礎上，采用注漿加固支護技術，使得破碎帶巖體中孔裂隙造成的缺失空間得到有效充填，弱化了巖體應力集中程度，增大了圍巖的強度與變形模量，來實現巷道可允許變形下的條件。

（3）對北辛窯煤礦的典型穿斷層巷道段，進行了注漿加固聯合支護技術的應用，現場監測效果表明，頂板變形得到有效控制，最終提高了巷道圍巖穩定性。