厚煤層破碎圍巖巷道注漿加固分析

鈕澤東

（晉能控股煤業集團有限公司大同市青磁窯煤礦，山西 大同 037000）

在煤炭地下開采過程中，厚煤層破碎圍巖巷道必須做好巷道支護和加固工作，保證巷道結構穩定和安全生產[1]。由于受巷道圍巖組成、采掘工作、圍巖壓力等因素的影響，圍巖內部裂隙紋理發育，存在軟弱結構面等會導致巷道圍巖破碎。如果不采取措施對圍巖結構進行加固，巷道圍巖變形會不斷增加，造成支護困難，甚至造成巷道結構破壞[2]，產生安全事故。注漿加固可以填充巖體內部的空隙和空洞，固化后有效提高圍巖強度和穩定性[3]，保證施工安全。山西大同市青磁窯煤礦11#層406 盤區8614 工作面在回采施工時，由于壓力過大導致頂板圍巖破碎，擬采用萬固脂進行注漿加固。

1 概況

8614 工作面位于11#層406 盤區中南部，東部為8616 工作面實體煤，南部為鐵路保安煤柱，西部為8206 采空區，北部為406 盤區大巷，上覆7#層、3#層、2#層采空區。8614 工作面所采煤層為11#煤層，煤層總體為單斜構造，西高東低，以東南部最低。巷道開挖后，發現8614 工作面有六條斷層，落差在0.15～1.00 m 之間，傾角在48°～70° 之間。回采至334 m 時，工作面順槽頂板破碎。為了控制頂板變形，采用萬固脂注漿加固的方式進行加固，以保證施工安全。

2 注漿加固方案

2.1 注漿材料選擇

8614 工作面順槽注漿加固采用化學漿液—萬固脂，萬固脂粘度低，滲透性好，采用高壓灌注可有效填充細小縫隙，可人為控制凝固時間，注漿后體積膨脹可有效填充孔隙，漿液結石率高，固結強度較大，施工工藝簡單，但價格較高，通常只用于需要進行快速加固的部位[4]。注漿壓力應結合圍巖滲透性、注漿材料性能等指標確定，較高的注漿壓力有利于漿液擴散，但壓力過大也會導致圍巖出現劈裂效應，甚至造成圍巖結構破壞。通常狀況下，注漿壓力不得超過2 MPa，圍巖破碎、裂隙發育區域注漿壓力不得超過1 MPa，裂縫開度不大時注漿壓力控制在1～2 MPa[5]。本項目注漿壓力按1 MPa 控制，并結合工作面頂板圍巖實際情況適當調整注漿壓力。

2.2 注漿量

為了保證注漿后圍巖孔隙能夠填充滿漿液，一方面要保證注漿壓力，另一方面要控制注漿量。在規定壓力下，注漿到圍巖不吃漿為止，通常以漿液不繼續滲透，注漿孔內充滿注漿液為準。單個注漿孔注漿量Q采用以下公式計算：

Q=ALπR2βλ

式中：A代表漿液消耗系數，取值1.2～1.5；L代表孔深范圍內加固區厚度，m；R代表漿液擴散半徑，m；β代表圍巖的裂隙率，取值為1%～5%；λ代表漿液的填充系數，取值為0.6～1.0。

2.3 注漿方案

為了有效控制巷道頂板變形，填充圍巖孔隙，固結圍巖結構，采用淺部注漿和錨索注漿的方式進行加固。頂板布置淺部注漿孔兩個，間距為1500 mm，排距為1800 mm，淺部注漿孔垂直于頂板布置，孔深3000 mm，孔徑為42 mm；錨索注漿孔三個，布置間距為1250 mm，排距為1800 mm，中部錨索注漿孔垂直于頂板，兩側錨索注漿孔與水平方向夾角為70°，孔深7500 mm，孔徑為32 mm。淺部注漿管為Φ20 mm×2000 mm，錨索采用Φ22 mm×7800 mm 中空注漿錨索。注漿孔布置如圖1。

圖1 巷道頂板注漿孔布置圖

2.4 巷道注漿加固技術

（1）鉆孔。采用7655 型鉆機、Φ42 mm 風鉆鉆頭鉆孔，鉆孔后對孔徑、孔深等技術參數進行檢驗，合格后送入注漿管。

（2）封孔。采用萬固脂和棉紗封孔，將棉紗纏繞到注漿管上部，澆上萬固脂，然后將注漿管送入注漿孔內，萬固脂發生化學反應后體積膨脹，將注漿管固定在注漿孔內。注漿管固定長度不得低于

300 mm。

（3）注漿。萬固脂化學反應穩定后，將注漿管內的清水排除，連接管路進行注漿。注漿過程中嚴格控制注漿壓力，當壓力超過2 MPa 時應立即停止注漿。一個注漿孔注漿完成后，關閉截止閥，待注漿孔內漿液凝固后方可拆下截止閥。頂板注漿順序為從兩側向中間，從圍巖穩定性較好的區域向較差的區域注漿。注漿過程中必須做好安全防護，工作人員不得站在空頂下作業。注漿過程中嚴格控制注漿壓力，根據頂板破損程度、間隙調整注漿量，如局部漏漿采用棉紗、木楔封堵。

3 頂板注漿效果分析

3.1 圍巖應力分布情況分析

為了檢驗頂板注漿加固效果，對加固前后圍巖的垂直應力和水平應力分布情況進行檢測和統計，通過對比分析確定加固效果。分別在加固前后對巷道圍巖應力分布情況進行觀測，由于巷道頂板和煤柱幫是巷道變形最嚴重的部位，因此重點對巷道煤柱幫垂直應力和巷道頂板水平應力觀測結果進行分析。收集數據繪制加固前后巷道煤柱幫垂直應力和頂板水平應力分布曲線如圖2、圖3。

圖2 加固前后煤柱幫垂直應力分布曲線

分析圖2 可知，注漿加固后巷道煤柱幫垂直應力明顯提高，說明采用注漿加固提高了巷道圍巖的強度和承載力，圍巖淺部圍巖承載力提高也使深部圍巖強度和承載力得到了提升。與加固前相比，距巷道表面0～11 m 圍巖垂直應力增加明顯，說明淺部圍巖加固效果較好。

分析圖3 可知，注漿加固后巷道頂板淺部水平應力升高明顯，說明頂板淺部加固效果較好，圍巖承載力得到了明顯提高。尤其是采用注漿錨索加固效果更好，頂板深部的圍巖穩定性也得到了明顯提升。

圖3 加固前后巷道頂板水平應力分布曲線

3.2 礦壓觀測結果分析

注漿加固后對巷道頂板和兩幫的變形情況進行觀測，分析巷道周邊相對位移的變化趨勢，進而分析巷道注漿加固后的穩定性。在8614 工作面回采期間，對巷道頂板下沉量和兩幫移近量進行觀測，收集數據繪制圍巖變形曲線如圖4。

圖4 注漿加固后巷道圍巖變形曲線

分析圖4 可知，注漿加固后頂板下沉量和兩幫移近量明顯下降，頂板下沉量最大值為395 mm，兩幫移近量最大值為658 mm，巷道變形滿足回采施工的要求。注漿加固前頂板下沉量超過700 mm，兩幫移近量超過1200 mm，說明注漿加固后圍巖穩定性得到了明顯提高。

4 結語

（1）對比分析注漿加固前后巷道圍巖應力分布情況，加固后巷道淺部圍巖應力增加明顯，淺部圍巖加固效果明顯，結合錨索注漿加固可進一步擴展加固范圍，提高巷道圍巖的整體穩定性。

（2）分析巷道頂板下沉量和兩幫移近量觀測結果，得出注漿加固后變形量得到了有效控制，其中頂板下沉量不超過400 mm，兩幫移近量不超過700 mm，說明注漿加固后圍巖變形得到了有效控制，圍巖穩定性明顯提高，注漿加固達到了預期效果。