復雜地質條件下超前預注漿技術應用效果分析

齊 飛，盧夢凡

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048000）

某礦3206運輸順槽掘進至距巷口約680 m處遇地質構造帶，受地質構造影響頂板圍巖原生節理裂隙發育，巷道頂板和圍巖破碎，掘進迎頭頂板出現了隨掘隨冒的現象，所以，為保證掘進3206運輸順槽的施工安全，對構造影響區前20 m巷道以補打錨索方式加強支護，對掘進迎頭上方的頂巖體采用新型無機化學材料進行注漿加固，增強頂板結構完整性和周圍巖體粘結強度，極大提高受地質構造影響圍巖自穩性能和整體承載能力，以得到控制巷道變形目的，保證了巷道服務年限[1]。

1 工程概況

該煤礦主采3號煤層，其煤層平均厚度5.8 m，平均埋深約為500～700 m，煤層平均傾角6°，結構簡單，其頂板直接頂為灰黑色砂質夾薄層泥巖。直接底為泥巖或細粉砂巖。3206工作面為孤島工作面，其西側為3208工作面，東側為3204工作面，目前其中2個工作面均已回采結束，其巷道布置如圖1所示。

圖1 3206工作面巷道布置示意圖

3206工作面其運輸順槽、回風順槽、高抽巷均為采空區邊緣掘進，巷道處在采空區邊緣煤體塑性區并受其殘余回采應力影響導致巷道在掘進期間頂板控制困難，后期維護工作量大。3206運輸順槽掘進至距巷口約680 m處地質遇構造帶影響，掘進迎頭目前已經進入構造影響范圍內，其頂板圍巖出現了隨掘隨冒的現象，嚴重危及到了施工人員安全、限制了施工進程。

2 注漿加固的原理及作用

破碎圍巖注漿加固時，漿液注入破碎圍巖后充填圍巖內部裂隙，并對開裂破壞的圍巖進行膠結，使圍巖內部形成的裂隙消失，圍巖恢復為具有完整結構的連續體。當充入裂隙的漿液結石體具有足夠強度時，可有效阻止在高應力作用下圍巖內部開裂離層位置的擴容性破壞的發展。可見，注漿加固是在改變破碎圍巖內部結構基礎上實現對圍巖的加固過程。高應力環境下，選擇具有高強度結石體的注漿漿液，在改變圍巖內部結構的同時，阻止圍巖內部裂隙區擴容破壞的發展，并且使破碎圍巖的可錨性顯著增強，為錨桿錨索支護提供足夠的錨固力。但單純的破碎圍巖注漿，并未改變圍巖的應力條件，高應力環境下，圍巖自身及圍巖裂隙面與漿液結石體間，都容易發生2次開裂破壞，因而煤礦井下動壓高應力條件下的破碎圍巖采用單純注漿加固也易發生加固后的再次破壞[2]。

高壓注漿的目的是充填遭到破壞的巷道圍巖內部裂隙，將破碎圍巖進行重新組合，提高破碎圍巖的承載能力，同時恢復或構成完整的巖體結構，進而形成連續的結構體，以有利于錨桿錨索加固時力的傳遞，大幅度提高加固質量和效果。

3 注漿加固方案與實施

3.1 注漿設計

3.1.1 注漿材料選擇

本次注漿加固主要是提前對構造影響區域下掘進巷道迎頭頂板的破碎巖體進行注漿，控制掘進迎頭頂板隨掘隨冒的現象，要求注漿材料具有較高的粘聚力和強度，能注入細小的裂隙和孔隙[3]。因此根據現場圍巖條件結合注漿材料特點，本次注漿材料確定采用化學注漿材料。

3.1.2 注漿材料特性

化學注漿材料滿足AQ1116—2020《煤礦加固、堵水、充填和噴涂用高分子材料通用安全技術規范》和AQ/T1089—2020《煤礦加固煤巖體用高分子材料》行業標準中的規定，滿足表1所示特性。

表1 注漿材料特性

3.1.3 注漿孔布置

根據3206運輸順槽掘進巷道斷面及需達到效果，本次注漿孔設計為沿掘進面迎頭成排布置，其排距設計為1000 mm，間距設計為1500 mm，孔深度7.5 m和10.5 m，用錨桿液壓鉆車打孔，鉆頭直徑φ42 mm。孔深7.5 m的鉆孔上仰60°，靠近兩幫的鉆孔外扎15°；孔深10.5 m的鉆孔上仰45°，靠近兩幫的鉆孔外扎10°，使用封孔器對注漿鉆孔封孔，其中孔深7.5 m的鉆孔其封孔深度2500 mm，孔深10.5 m的鉆封孔深度4000 mm，斷面內注漿孔布置設計如圖2所示。

圖2 注漿孔布置設計圖

3.1.4 注漿量計算

本次注漿為確保其效果，現對每米注漿所需量計算如下

式中:Q單為每孔注漿量（kg）；A為漿液損失率；R為擴散半徑；H為注漿深度；n為圍巖孔隙率；B為漿液充填系數；M為漿液密度[4]。

經計算，本次注漿單孔其消耗應不大于200 kg/孔。

3.2 注漿方案

3.2.1 注漿施工工藝

按設計要求施工注漿孔→開泵注漿→注漿至終壓或單孔量達200 kg停泵、封孔→結束并檢查注漿效果→下一注漿點開始。

3.2.2 工藝要求

1）按設計眼位開孔且其偏差量為±50 mm范圍。

2）施工前進行預注漿，將漿液填充率、配漿比、注漿量、終壓等指標進行確定[5]。

3）施工過程按隔排跳躍施工且由中間孔至兩幫孔順序施工，并對鉆孔核實確定不遺漏。

4）化學漿制備：將2組成分分別倒入配料桶并插入吸液管，連接注漿泵。

5）注漿過程中必須將封孔器與孔口管連接牢固且拆卸時必須右旋拆下，保證漿液不能外溢。

6）注漿結束后對注漿泵等相關設備管路進行清洗，防止發生堵塞。

7）因使用的化學漿凝固期間為放熱過程，故在出現漿液外漏時必須停止且采取措施進行封堵。

8）本次注漿采用化學漿液，由于其粘度低，滲透力強，需嚴格按設計量單孔注漿不超200 kg，超時應及時結束注漿。

3.3 注漿效果分析

在注漿結束后進行正常掘進并施工窺視孔，窺視孔采用鉆孔內部窺視儀進行窺視，以觀察本次注漿段在破碎圍巖中的凝固效果[6]。根據本次注漿孔位設計，在注漿區域隔4 m在頂部施工2個孔深為8 m的窺視孔分別孔1、孔2，其孔窺視如圖3所示。

圖3 孔1、孔2窺視視圖

通過窺視孔1、孔2可看出，注漿后在巷道頂板0～1 m深度范圍內巷道整體圍巖破碎嚴重，裂隙縱橫交錯。但注漿后有明顯的化學漿凝結體，實現了巷道的封閉；在巷道頂板2～5 m范圍內存在大量裂隙但裂隙均已被注漿材料填充，較好地實現了對裂隙發育帶的膠結，注漿效果良好；在巷道5～8 m深度范圍裂隙發育明顯減少，孔壁相對完好，可見部分注漿結膠體的填充達到有效深度，達到了本次注漿的預期。

為持續觀察本次注漿效果，特對施工區域及相鄰未施工區域建立礦壓觀察點，每隔1 d觀測1次，持續30 d，其觀測結果如圖4所示。

圖4 觀測區域圍巖位移量

從圖4可看出，30 d內注漿施工區域巷道頂板總下沉量為129 mm，未注漿區域頂板下沉量達202 mm，進一步驗證了注漿對圍巖變形速率有著較好的控制效果。3206運順掘進迎頭頂板圍巖破碎段通過注漿提高了圍巖穩定性。

4 結束語

本文通過對3206運輸順槽掘進迎頭頂板圍巖破碎變形機理分析，提出了采用注漿加固手段進行控制，并通過對注漿加固原理研究確定了本次注漿步驟、單孔注漿量、注漿壓力等具體參數。通過注漿后的區域窺視，驗證了注漿區域巷道頂板8 m范圍內的圍巖能實現有效固結。通過對注漿區域及未注漿區域巷道的30 d觀測，驗證了本次注漿加固能有效控制巷道圍巖變形速率。本次的工程實例，充分說明了在復雜質地條件下，選擇合理有效的注漿加固方案對圍巖裂隙的充填、圍巖變形率、頂板淋水等能夠有效控制，對復雜地質條件下安全掘進具有借鑒意義。