注漿加固技術在動壓影響巷道中的應用

張德志

（煤炭科學技術研究院有限公司礦用材料分院，北京 100020）

煤礦巷道支護狀況直接影響礦井的安全生產[1]，隨礦井埋深的增加，受瓦斯、地質構造等因素影響，礦壓顯現愈發明顯，開采難度增加。巷道開掘后，支護狀況受埋深、施工層位、周邊巷道布置、支護形式、強度及采動等因素影響[2-3]，尤其是受采動即動壓影響時礦壓顯現最為明顯，巷道圍巖出現嚴重變形，威脅安全生產。針對該問題，通過永安煤礦32采區三條下山現場調查評價、數值模擬分析、制定加固方案及實施、現場施工反饋等工作[4]，開展對動壓影響下底板巖巷加固技術研究。

1 工程概況

永安煤礦設計生產能力65萬t/a，采取平硐-暗斜井混合開拓方式，主采3#煤層，煤層賦存穩定，煤厚5.4～7.2 m，平均煤厚6.4 m，煤層傾角約2°～4°，頂板、底板均為泥巖與砂質泥巖互層。礦井現生產采區為32采區，采區布置三條下山，采用錨噴支護。采區正在組織生產的工作面為3208工作面及3210工作面，已回采結束的工作面為3209工作面，采區以北為相鄰五里廟煤礦采空區。采區三條下山受多次采動影響，先后經歷多次擴修、加固，巷道變形嚴重，主要表現為頂板下沉、兩幫內鼓及片幫，存在極大的安全隱患，嚴重威脅礦井的安全生產。

2 巷道破壞情況數值模擬分析

2.1 數值模擬的建立

采用FLAC3D軟件進行數值模擬分析，結合礦井采掘工作面實揭資料及本區鉆孔柱狀圖建立模型，模型長度240 m、寬度25 m、高度80 m。為提高模擬精確度，模型范圍內共劃分25 000個單元，35 232個節點。設定煤層傾角為3°，模型范圍內確定巷道斷面規格及施工層位，建立巷道上覆巖層、下覆巖層，巖石力學參數見表1，在模型頂部邊界施加垂直應力6 MPa，結合現場礦壓顯現規律，側壓大于垂直壓力，取側壓系數為1.2，模型頂、底部分別為應力邊界及位移邊界。

表 1 巖石力學參數表

2.2 模擬結果分析

模擬得出三條下山開掘后、受一次采動后、二次采動后三種情況下塑性區分布范圍，以塑性區范圍確定巷道圍巖破壞范圍。

（1）開掘后塑性區分布范圍

巷道開挖后進行錨噴支護，所受垂直應力、水平應力重新分布，受爆破及礦壓影響，巷道周邊圍巖均出現塑性區。巷道開掘后塑性區分布范圍如圖1。由圖1可知，由于三條下山巷道施工層位、埋深及支護強度均一致，受垂直應力及水平應力一致，塑性區范圍基本一致，寬度為3～4 m。同時也可得出，三條巷道掘進期間相互影響較小。

圖1 巷道開掘后塑性區分布范圍

（2）一次采動后塑性區分布范圍

三條下山受3208工作面采動影響，超前應力顯現明顯，一次采動后下山巷道圍巖塑性區分布如圖2，由圖2可知，巷道周邊塑性區范圍分布明顯變大，寬度約4.5～6.5 m，較開掘后巷道右幫塑性區范圍增加近1.5 m。另由于回風下山巷道北臨五里廟煤礦采空區，左幫塑性區范圍較開掘后巷道增加近2.5 m。

圖2 一次采動后下山巷道圍巖塑性區分布

（3）二次采動后塑性區分布范圍

三條下山受3208工作面、3210工作面采動及超前應力疊加影響，二次采動后下山巷道圍巖塑性區分布如圖3。由圖3可知，巷道周邊塑性區范圍分布較一次采動時進一步變大，寬度約6～8 m，增加約1.5 m。由于材料下山南臨3208工作面、3210工作面，巷道右幫塑性區較左幫塑性區寬2 m。

圖3 二次采動后下山巷道圍巖塑性區分布

綜上所述，巷道開挖后，周邊塑性區分布范圍隨一次采動影響、二次采動影響逐漸增大，周邊圍巖破壞情況加劇。其中，回風下山巷道靠近臨近煤礦采空區、材料下山巷道靠近回采工作面一側變形尤為明顯，受影響最大。計劃采用注漿對巷道周邊圍巖進行加固。

3 注漿加固設計

3.1 注漿加固原理

利用高壓力注漿泵、注漿管向巷道周邊塑性區圍巖注入漿液，漿液充填圍巖裂隙后快速凝固，與周邊圍巖形成整體，提高圍巖強度及承載力。

3.2 注漿材料

結合現場圍巖狀況及借鑒其他礦井注漿經驗，選用水泥漿及ZKD高水速凝材料雙漿液。隨水灰比的增加，漿液粘度、屈服強度隨之增加，具有強度高及快速凝結的特性。

注漿管采用直徑25 mm一般焊接管加工而成，長度1.5 m，一端車絲長度30 mm，距該端頭1.2 m、1.35 m分別打設兩個直徑6 mm小孔；使用封孔膠進行封孔，長度1.2 m。

3.3 注漿工藝

安裝注漿管→注清水試驗→制漿→注漿→對下一個注漿孔注漿→停機清洗→卸除孔口球閥。

ZKD型高水速凝材料由主料和配料組成，混合后凝固時間極短，考慮井下工人操作水平及漿液輸送距離，將主料及配料分開輸送。

3.4 注漿參數

（1）制漿。借鑒其他礦井注漿經驗，水灰比采用1.5:1，ZKD高水速凝材料按11%比例加入，主料及配料比為1:1。

（2）注漿壓力及注漿量。注漿開始后通過壓力表控制壓力由零持續上升，保證漿液沿裂隙擴散充分、均勻，終孔壓力2～3 MPa。單孔達到設計壓力值，并持續10 min不吸漿，即可停機開啟卸壓閥，之后更換注漿孔。

（3）拆除球閥。待停機清洗后，至少等待6 h方準拆除球閥。

（4）注漿孔設計。注漿孔直徑42 mm，孔深2400 mm。結合現場三條下山巷道變形特征，同時考慮底鼓量小，計劃對巷道頂板及兩幫進行全斷面注漿，提高頂幫圍巖強度。沿巷道掘進方向，每排布置6個注漿孔，排距2 m，其中，頂板布置兩個注漿孔，兩幫各兩個。頂板注漿孔按與豎直方向呈45°打設，對稱布置，兩幫注漿孔間距1 m，下部一根注漿孔距底板0.5 m。注漿孔布置示意圖如圖4。

圖4 注漿孔布置示意圖（mm）

4 注漿效果分析

采用施工探查孔的方式對注漿效果進行驗證。鉆孔施工完畢后，采用鉆孔窺視儀對注漿段巷道圍巖進行觀測，查看圍巖裂隙填充情況。另對圍巖進行取樣，查看膠結效果及強度。

由于三條下山巷道地質采礦條件及施工條件相似，選取材料下山巷道頂板及緊鄰工作面幫部圍巖進行分析，使用鉆孔窺視儀對距巷道孔口1.5 m處里外圍巖進行觀察。材料下山圍巖注漿前后對比圖如圖5。由圖5可知，圍巖在注漿前較破碎，受圍巖松軟、存在裂隙影響，孔壁破損明顯，注漿后漿液與圍巖形成一體，孔壁完整。另取材料下山注漿后巷道頂板巖石，與注漿前頂板巖石進行對比分析。注漿前圍巖破碎，存在孔隙，且易斷裂，注漿后漿液填充了圍巖裂隙，與圍巖膠結形成一體，整體性及強度明顯提升。

圖5 材料下山圍巖注漿前后對比圖

5 結論

（1）結合32采區三條下山巷道實際地質采礦條件，通過數值模擬結果可知，受工作面采動影響，巷道圍巖塑性區范圍逐漸增大，且靠近工作面側圍巖受破壞程度加劇。

（2）結合圍巖受壓破壞的變形特征，采取注水泥漿及ZKD高水速凝材料雙漿液加固措施，通過對比注漿前后圍巖狀況，漿液與巖石膠結形成一體，圍巖強度及承載力明顯提高。

（3）對受壓變形大、圍巖破碎的巷道，采取注漿措施達到加固的效果，對類似條件下巷道注漿加固提供借鑒的意義。