厚煤層沿空巷道破碎圍巖注漿加固技術研究與應用

黃祖軍 謝益盛

（淮北礦業（集團）有限責任公司朱仙莊煤礦，安徽 宿州 234111）

1 工程概況

山西晉城無煙煤礦業集團有限公司成莊礦4310工作面主采3#煤層，3#煤層平均厚度為6 m，平均傾角為2°，煤層松軟破碎。煤層直接頂巖層為泥巖，均厚4.2 m，基本頂巖層為中粒砂巖，均厚為11.2 m。4310 工作面布置4 條回采巷道，其中4220巷和4224 巷為工作面進風巷，4219 巷和4224 巷為工作面回風巷，具體工作面布置形式如圖1 所示。4220 巷與上區段4308 工作面采空區之間的凈煤柱寬度為10 m，歸類為沿空掘進，巷道沿3#煤層底板掘進作業。

圖1 4310 工作面布置示意圖

4220 副巷斷面為矩形，掘進寬度× 高度=4500 mm×3000 mm，巷道采用錨網索支護，頂板采用錨索補強支護，錨索采用三花布置，當巷道斷面采用一根錨索補強支護時，錨索布置在巷中位置處，頂板和兩幫錨桿預緊扭矩分別為300 N·m 和200 N·m，錨索預緊力為120 kN，具體錨網索各項支護參數如圖2。通過礦壓分析得出，巷道沿空掘巷期間，圍巖變形量大，頂板及兩幫最大下沉量分別為0.7 m 和1.2 m，圍巖變形后頂板破碎圍巖區域最大下沉量達到0.7 m，兩幫最大移近量達到1.2 m，嚴重影響巷道正常使用。為保障巷道圍巖的穩定，擬對圍巖采用注漿加固技術，為保障注漿效果，需對注漿加固技術進行研究和方案設計。

圖2 巷道支護斷面圖（mm）

2 層次多循環注漿技術

層次多循環注漿加固技術主要原理為針對不同深度層次的圍巖體分別進行多循環注漿，由于巷道淺部圍巖和深部圍巖的裂隙發育特征不同，淺部圍巖和深部圍巖注漿方式及漿液擴散形態也存在較大差異，采用多層次注漿加固技術能夠保障圍巖具有多層承載殼體[1-3]，提升圍巖承載能力，采用多循環注漿技術有效提升注漿效果，具體層次多循環注漿技術原理如下：

（1）層次注漿原理（如圖3）。針對巷道圍巖淺部區域貫通性裂隙發育，漿液在淺部圍巖體內主要以充填擴散為主，巷道深部圍巖相對完整，圍巖應力大，裂隙發育較少，漿液在深部圍巖體內擴散以劈裂注漿為主[4-5]，通過深部注漿管，采用高滲透性、低粘度注漿材料，配合高壓注漿，達到加固深部圍巖的目的。

圖3 層次注漿加固原理圖

（2）多循環注漿原理。目前常采用的注漿方式為單循環注漿和多循環注漿，現采用3DEC 進行兩種注漿方式的模擬對比分析[6-7]，建立模型長×寬×高=10 m×10 m×10 m，設置注漿采用的新型水泥注漿材料的配比為：525 水泥40%，矸石粉30%，增強劑20%，懸浮劑9%，成巖劑1%；漿液水灰比設置為0.5。

模擬作業時，設置注漿壓力為6 MPa，注漿排距為6 m，根據模擬結果得出不同注漿方式下漿液擴散形態如圖4。

圖 4 單循環和兩循環多孔注漿漿液擴散形態圖

分析圖4 可知，采用單循環注漿工藝時，在注漿加固厚度h 內，存在未擴散區域，破碎圍巖體注漿形成的承載殼體不完整；采用兩循環注漿工藝時，在加固厚度h 范圍內，漿液均勻擴散，注漿效果明顯優于單循環注漿。

3 注漿方案及效果

3.1 注漿方案

4220 副巷注漿作業時，注漿材料采用新型水泥復合材料，注漿作業時采用層次多循環注漿技術，具體注漿方案如下：

（1）注漿材料及水灰比。注漿材料配比為525水泥40%，矸石粉30%，增強劑20%，懸浮劑9%，成巖劑1%；漿液水灰比為0.5。

（2）注漿鉆孔布置。兩幫注漿孔分為深部和淺部注漿孔兩種，淺孔孔深5 m，深孔孔深15 m，孔徑均為Ф42 mm，鉆孔垂直煤壁施工并與煤壁呈65°夾角；共布置三排注漿孔，呈五花眼布置，淺孔與深孔成組交替布置，上排孔距巷道頂板0.7 m，下排孔距巷道底板0.8 m，上排孔與下排孔之間間距2 m，間排距1000 mm×1000 mm，具體鉆孔布置如圖5（a）。 針對破碎頂板注漿加固段共布置三排注漿孔，呈五花眼布置；外側兩排注漿鉆孔距離鄰近巷道邊幫均為1 m，中間排注漿鉆孔位于巷道頂板中線位置處；注漿鉆孔間排距為1000 mm×1500 mm，孔深為4 m，注漿加固鉆孔孔徑均為Ф42 mm，鉆孔垂直巷道頂板施工。具體頂板注漿鉆孔布置方式如圖5（b）。

圖5 注漿孔布置示意圖（m）

（3）注漿方式及順序。兩幫注漿作業時，以三個相鄰淺孔為一組，三個相鄰深孔為一組，相鄰一組淺孔和一組深孔施工成孔后，間隔5 m 施工下一組相鄰的淺孔和深孔（即間隔一組相鄰深孔與淺孔暫不施工），待注漿圍巖加固穩定后再施工被間隔錯開的剩余各組淺孔和深孔。頂板注漿孔注漿作業時，先以3 m 的排距實施一循環的注漿作業，當一循環注漿作業完成后，在已注漿完畢的兩個注漿孔中部布置一排間距為3 m 的注漿孔，實施二循環注漿作業。

（4）注漿壓力。頂孔和淺孔注漿壓力為0.5～1 MPa，深孔注漿壓力3～5 MPa。

3.2 效果分析

本次注漿加固工程的效果分析采用鉆孔窺視+圍巖變形監測的方式，具體分析如下：

（1）鉆孔窺視。針對注漿區域，在巷道兩幫、頂板各布置1 個窺視鉆孔，窺視鉆孔與注漿孔間的間距為0.7 m，其中兩幫窺視鉆孔深度為15 m，頂板窺視鉆孔深度為4 m。通過窺視分析，得出注漿區域局部實際效果如圖6。

圖6 注漿鉆孔窺視局部實際效果圖

根據注漿窺視結果可知，巷道注漿作業結束后，巷道頂板4 m 深度范圍、幫部10 m 深度范圍內破碎圍巖內的裂隙被有效充填，破碎圍巖得到有效膠結，大幅提升了圍巖的完整性。

（2）圍巖變形量分析。注漿作業結束后，在滯后掘進迎頭15 m 注漿加固區域布置圍巖變形測點，通過觀測分析能夠繪制出圍巖變形曲線如圖7。

圖7 圍巖變形曲線圖

分析圖7 可知，注漿方案實施后，圍巖變形主要出現在注漿結束后的0～40 d 內，最終巷道整體頂底板和兩幫移近量分別為26 mm 和69 mm，有效保障了圍巖的穩定。

4 結論

（1）層次多循環注漿加固技術，針對圍巖淺部區域注漿時，以充填注漿為主，深部區域以劈裂注漿為主；通過3DEC 數值模擬單循環和兩循環注漿加固效果可知，采用兩循環注漿施工工藝時，漿液在加固厚度內擴散均勻，能夠有效保障注漿加固效果的實現。

（2）4220 副巷兩幫采用淺部+深孔層次多循環注漿技術，淺孔Ф42 mm×5000 mm，深孔Ф42 mm×15 000 mm，間排距1000 mm×1000 mm；破碎圍巖區域頂板注漿孔Ф42 mm×4000 mm，間排距1000 mm×1500 mm，注漿材料采用新型水泥復合材料；頂板及淺孔注漿壓力為0.5～1 MPa，深孔注漿壓力3～5 MPa。

（3）注漿加固方案實施后，根據效果分析得出頂板4 m 深度、幫部10 m 深度范圍內破碎圍巖被有效膠結在一起，注漿后圍巖變形量小，有效保障了圍巖的穩定。