某鐵礦采礦進路極破碎頂板注漿加固技術研究

殷登才 孫茂貴 陳 晨 印提軍

（安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司）

某鐵礦5盤區采礦進路開采方式為多中段聯合開采，采礦方法為上向分層進路充填法。根據地質報告，其硬度系數f為6～8，支護方式采用全斷面噴錨網。在該鐵礦-390 m中段5盤區開采至-375 m水平時，采礦進路在多中段開采影響下大面積來壓，造成部分采礦進路嚴重破壞，圍巖體松軟破碎嚴重，在軟弱破碎圍巖中掘進采礦進路時易造成落石、冒頂等事故的發生，對后續采礦進路的掘進極為不利。針對此問題，文武軍等［1］提出采用注漿技術對巷道冒落區進行加固，結果表明，注漿技術能很好地解決巷道施工中的冒頂問題；王恒等［2］以云南某銅礦為工程背景，針對軟弱破碎礦體成孔鑿巖開采困難等問題，引入了化學注漿預加固方案進行優化開采，并建立了破碎銅礦化學注漿控制標準，通過鉆孔探測儀檢測了注漿效果；秦健春等［3］以松散體包圍下破碎礦柱回采為工程背景，詳述了高壓注漿加固松散體技術及注漿工程布置、注漿主要參數計算以及注漿工藝過程，有效解決了松散體穩固性差、回采作業安全性差以及礦石損失貧化大等問題；許昌毓等［4］以王家嶺煤礦20101工作面膠帶巷破碎圍巖加固為工程背景，確定工程中深淺孔—高低壓耦合注漿加固的合理注漿壓力，揭示了耦合注漿加固的作用機理。張清［5］基于裂隙注漿漿液擴散規律的研究，通過理論分析得出了裂隙巖體中牛頓流體的漿液擴散規律，驗證了裂隙巖體中牛頓流體擴散規律應用的可靠性。

本研究針對某鐵礦-390 m中段5盤區采礦進路極破碎頂板的加固問題，分析破碎頂板產生的原因，進而提出應對措施。

1 頂板不穩固原因分析

為了擴大鐵礦的生產規模、提高經濟效益，該鐵礦采用了多中段聯合開采的模式。多中段聯合開采方法同時對多個中段布置采場，在提高生產效率的同時，也帶來了一些問題。由于多個同時開采的中段共同作用，使得附近圍巖應力場變換復雜，地壓顯現劇烈，造成部分未開采進路的圍巖出現嚴重破壞，特別是進路頂板區域，形成了極破碎區。開采具有極破碎頂板的采礦進路非常容易引發落石、冒頂等事故，對后續的掘進極為不利。

為了保證具有極破碎頂板采礦進路的安全穩定開掘，首先需要治理的就是破碎頂板。因此，提出采用注漿加固技術，通過注漿漿液將采礦進路破碎頂板膠結成一個整體，在進路頂板部分形成注漿加固帷幕，以保證采礦進路掘進安全，防止冒頂事故的發生，提高采礦進路的施工效率。

2 極破碎頂板注漿加固方案

極破碎頂板注漿加固方案主要分為2個部分：壁后充填注漿和超前帷幕注漿。其中，壁后充填注漿主要是為了加固距離施工迎頭后3.0～5.0 m范圍，在工作面附近形成止漿墊，為超前帷幕注漿提供工作條件。

超前注漿帷幕即在進路沒有開采前，在工作面進行鉆孔注漿，對工作面前方一定距離的破碎圍巖進行提前加固。當多個注漿孔的漿液擴散重疊在一起時，可以在注漿區域形成一道加固帷幕，有效提高圍巖的強度和穩定性。超前帷幕注漿的鉆孔孔徑及注漿壓力均比較大，容易在施工過程中造成工作面的破壞和漏漿現象，而有了止漿墊的作用，可以保證超前帷幕注漿施工的安全穩定。

2.1 壁后充填注漿技術方案

在巷道周邊采用?45 mm風鉆鉆進4 m，巷道布孔4個，間排距為1 200 mm，如圖1所示。采用?38 mm×500 mm注漿管封孔注漿，封孔長度為300 mm，漿液為雙液漿，開孔仰角為72°±2°，切向角為0±2°。

注漿采用單液水泥—水玻璃漿液，水泥使用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在0.8～1.0，水玻璃的摻量為水泥用量的3.0%～5.0%。漿液結石率不低于92%，漿液固結體強度不低于20 MPa，注漿壓力控制在2.0 MPa以內，保證噴層不發生開裂，且漿液擴散半徑達到1.5 m。

2.2 超前帷幕注漿技術方案

在采礦進路掘進迎頭位置施工超前帷幕注漿鉆孔，形成長短孔耦合注漿加固效果。注漿加固采用循環注漿方式，每循環加固范圍為超前掘進工作面30.0 m左右，每注漿循環搭接長度不少于3.0 m。每循環布置11個注漿孔，孔底位于采礦進路頂板上方5.0 m位置。注漿加固時應嚴格遵守鉆一個孔、注一個孔的施工方法，以避免漿液沿其他注漿孔串漿。

本方案共布設2組注漿鉆孔，第1組的5個注漿孔位于頂板輪廓線下方500 mm處，編號依次為3-1#、3-2#、3-3#、3-4#、3-5#，間距為1 200 mm；第2組6個注漿孔位于頂板以下1 000 mm位置，編號依次為4-1#、4-2#、4-3#、4-4#、4-5#、4-6#，間距為1 000 mm。第1組注漿孔采用2次施工與注漿的循環方式，第一次作業是注漿加固工作面迎頭8.0 m范圍內頂板，第二次作業時對該孔采取掃孔延伸的方法，把頂板加固范圍擴大至20.0 m。第2組注漿孔旨在控制較遠加固范圍，注漿加固長度為30 m；第2組注漿孔同樣采用2次或多次施工與注漿的循環方式，第一次作業是注漿加固工作面迎頭12.0～15.0 m范圍內頂板，第二次作業時對該孔采取掃孔延伸的方法，把頂板加固范圍擴大至30.0 m，依次類推，第n次作業也是對該孔采取掃孔延伸的方法，直至采礦進路穿越破碎帶區域為止。

注漿鉆孔布置如圖2所示。第1組施工按照3-1#→3-2#→3-3#→3-4#→3-5#的順序鉆孔及注漿，此時鉆孔深度為8.0 m；在完成注漿后對第1組鉆孔依次復孔延伸至20.0 m進行復注；然后繼續按照4-1#→4-2#→4-3#→4-4#→4-5#→4-6#順序組織第2組鉆孔的施工與注漿工作，并嚴格按照上一注漿孔完成注漿加固后再施工下一注漿孔。為擴大注漿范圍與保證注漿效果（向采礦進路兩側擴大2.0 m范圍），建議鉆孔按一定的切線角施工。

漿液調配使用與壁后注漿加固相同，注漿終壓設定為5 MPa，以保證漿液擴散半徑達到3 m。

3 工程應用

根據上述方案，在某鐵礦-390 m五盤區的-370 m水平521#聯巷（交叉點前21 m）進行了工業實驗。從521#聯巷試驗開始，在進路兩幫、頂板布設測點，開展了圍巖收斂變形監測。從監測結果來看，采礦進路圍巖變形量較小，幫部內擠量為105.81～114.12 mm，頂底板移近量為141.40～133.83 mm。監測結果表明，注漿后可將破碎圍巖膠結在一起，提高了圍巖的整體穩定性與強度。

注漿結束后，掘進發現巖體間裂隙被漿液充填飽滿，水泥體與巖石結合緊密，在采用錨桿、錨索支護中頂部未發現明顯離層裂隙，能夠形成有效支護圈。這說明注漿加固技術能有效保證采礦進路的掘進安全與圍巖穩定，是一種行之有效的圍巖控制技術手段。

4 結語

通過-390 m中段5盤區工業試驗發現，針對具有極破碎頂板的采礦進路，通過壁后注漿加固與超前帷幕注漿加固技術能夠有效地控制破碎頂板的穩定，保障采礦進路掘進及礦體回采安全，是一種行之有效的技術手段。注漿加固技術在該鐵礦的有效應用，為破裂頂板礦體的安全開采提供了技術保障。