注漿支護技術在應力區破碎頂板中的應用

牛晉林

（山西焦煤霍州煤電集團同安煤業有限責任公司，山西 呂梁 033500）

引言

巷道在掘進過程中受施工工藝、煤層賦存、地質條件等影響，巷道頂板出現破碎現象，巷道頂板一旦破碎后不僅破壞了頂板整體承載梁結構，降低了頂板整體穩定性，而且頂板破碎后產生高密度裂隙，隨著應力加大，裂隙不斷擴張延伸[1]，在高密度裂隙頂板中采用單一的錨桿（索）支護時，鉆孔施工難度大、塌孔現象嚴重，而且錨桿（索）錨固失效現象嚴重，降低了錨桿（索）支護拱和支護梁作用，所以裂隙破碎頂板進行二次重組，對提高巷道支護質量具有重要意義。本文以同安煤礦回風巷為例，同安煤礦為了提高巷道頂板永久支護質量，及實現破碎巖體二次重組作用，決定對巷道破碎頂板采取注漿加固技術。

1 同安煤礦總回風巷概況

同安煤礦總回風巷北接回風立井馬頭門總回巷開口，該巷南部42.72 m為4號層回風大巷（未掘），西部、東部為實體區。

總回風大巷與回風立井馬頭門連接，以方位角180°開口位置沿4號煤層頂板下山施工至回風大巷，沿煤層頂板施工，平均坡度-5°。巷道設計掘進水平距離42.72 m，矩形斷面，采用錨網索噴+W型鋼帶支護，掘進寬度5 200 mm，掘進高度為4 600 mm。

總回風巷采用采用錨網索噴+W型鋼帶+噴漿聯合支護；頂板采用MSGLW-400/22×2 400 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間距900 mm，排距900 mm，錨固劑為兩支藥卷，一支為MSK2335，一支為MSZ2360，錨固力不低于152 kN，預緊力不低于330 N·m。

總回風采用綜合機械化掘進工藝，截至目前巷道已掘進540 m，巷道掘進至535 m處揭露一條F3正斷層，斷層落差為1.8 m，傾角為52°，受斷層影響，在斷層附近巖體出現裂隙、破碎現象，局部區域出現垮落，導致原巷道頂板支護效果差，無法滿足巷道頂板支護要求。

2 注漿加固技術

2.1 注漿加固技術原理

通過對破碎圍巖施工注漿鉆孔，并高壓注入化學注漿材料如馬麗散、聚氨酯等，注漿材料在高壓作用下滲入細小裂隙內凝固后，對破碎煤巖體進行粘接填充，既阻止了圍巖裂隙范圍進一步擴大，又提高了圍巖整體穩定性，從而保證了錨桿（索）支護質量[2]。

2.2 注漿材料選取

1）通過技術研究可選取的抓緊材料主要由水泥與水玻璃混合液、馬麗散與催化劑混合液以及聚氨酯材料等；通過對比分析發現，水泥與水玻璃混合液成本費用相對較低，取材方便，但是該注漿材料滲透效果差，最大滲透半徑為1.2 m，注漿材料凝固時間達5~8 h，且凝固體成脆性，粘接效果差[3]；聚氨酯化學材料粘接效果好，滲透能力強，但是該化學材料成本費用高，注漿后在凝固期間產生放熱反應，不利于煤層自燃性高或通過不暢的采掘工作面。

2）通過對比分析總回風破碎頂板注漿液決定采用馬麗散注漿材料，該材料成本費用相對較低，滲透能力強，粘接效果好，而且注漿材料凝固后形成凝固體具有較強的韌性，適應圍巖蠕動變形現象[4]。

2.3 注漿鉆孔布置

1）總回風掘進至540 m處時對頂板開始施工注漿鉆孔，鉆孔施工在煤壁上，每排布置三個注漿鉆孔，鉆孔距頂板距離為1.2 m，鉆孔深度為5.0 m，鉆孔仰角為45°鉆孔終孔位置位于頂板2.0 m以上。

2）三個注漿鉆孔間距為1.5 m，其中中部鉆孔（1號鉆孔）水平角為0°，兩幫鉆孔（2號、3號鉆孔）鉆孔水平角為30°；鉆孔施工完后需對鉆孔孔口處進行封孔處理[5]。

2.4 鉆孔封孔施工

1）為了提高注漿效果，學對仰斜注漿鉆孔進行封孔處理，首先對鉆孔進行擴孔施工[6]，擴孔深度為1.0 m，擴孔后鉆孔直徑為108 mm。

2）鉆孔擴孔完成后對擴孔段安裝一根長度1.0 m，直徑為100 mm的套管，套管與孔壁之間采用膨脹水泥進行封堵[7]，在套管外端安裝法蘭盤和截止閥，如圖1所示。

圖1 注漿鉆孔封孔及孔口管安裝平面示意圖

3）在套管里端頭采用卡纜固定注漿花管，注漿花管長度為2.0 m，花管直徑為45 mm，花管四周布置若干個直徑為15 mm的注漿射孔。

2.5 注漿施工

注漿鉆孔封孔完成后將注漿管與孔口截止閥進行連接，注漿管另一端與專用注漿泵進行連接[8]，如圖2所示；注漿時注漿壓力控制在1.2~2.0 MPa，單孔注漿量為40 kg，注漿時間不得低于15 min。

圖2 注漿施工平面示意圖

3 實際應用效果分析

2020年3月21日開始對總回風巷頂板施工注漿鉆孔，并進行注漿施工，截止28日，巷道已完全過斷層應力區，共計施工5排注漿鉆孔，注漿量為600 kg馬麗散注漿液，注漿施工完成后巷道在后期掘進過程中，巷道頂板未出現破碎、離層現象，頂板整體穩定性相對較好；注漿完成后對頂板施工錨桿（索）支護時，支護錨固效果好，錨桿（索）失效率降低至2%以下，有效控制了應力區頂板失穩現象。

4 結語

山西焦煤霍州煤電集團同安煤業有限責任公司通過技術研究，對總回風巷過F3斷層應力區期間，頂板出現破碎、下沉現象，提出了注漿支護技術，通過實際應用效果來看，注漿施工工序相對簡單、注漿施工速度快，注漿后可對破碎圍巖進行二次重組，提高了破碎圍巖整體穩定性，降低了頂板在應力作用下出現下沉、離層現象，保證了巷道安全快速掘進。