淺埋復合頂板巷道過構造圍巖控制技術

郭小將

（汾西礦業安全監察中心，山西 介休 032000）

0 引言

隨著礦井采深不斷增加，巷道圍巖控制受地質構造、軟弱圍巖、高應力以及復合頂板等問題影響更為突出，實現巷道圍巖有效控制、減少圍巖變形量并避免頂板冒落是巷道掘進及后續使用期間需要解決的重點問題[1-2]。復合頂板巷道在頂板支護難度加大，頂板容易出現離層量大、變形量甚至冒落等問題，特別是復合頂板巷道掘進遇地質構造時，導致頂板穩定性更差、裂隙擴展，進一步增加圍巖支護難度。提升復合頂板巖體自身承載能力、穩定性是實現巷道圍巖高效控制的措施之一[3-5]。3506 運輸巷道掘進區域內地質構造復雜，為實現巷道圍巖有效控制，提出采用注漿方式加固復合頂板并通過表面噴漿封閉巷道表面裂隙、提高護表強度，現場應用后實現了巷道圍巖有效控制。

1 工程概況

3506 運輸巷位于該礦井南部三采區，巷道設計掘進距離2 360 m，采用EBZ250 綜掘機沿著5 號煤層底板掘進，巷道設計斷面為矩形，凈寬4 500 mm、凈高3 100 mm。5 號煤層為主采煤層之一，埋藏深度為190 m，厚度為2.6～3.7 m，傾角為2°～8°，具有賦存穩定、發熱量高等優點，開采經濟效益較好。3506運輸巷頂板為典型復合頂板結構，頂板下部巖層較為松軟、上部巖層承載能較強。5 號煤層直接頂為炭質泥巖、泥巖及砂質泥巖互層，厚度均值為1.3～5.6 m，結構呈塊狀；基本頂為粉砂巖，厚度為4.23 m；直接底為泥巖，厚度為3.7 m，灰色，承載能力較差。

根據鄰近采面回采揭露以及現有地質資料顯示，3506 運輸巷在掘進期間會揭露多條落差在1.2～3.5 m斷層，在斷層影響區會導致巷道圍巖破碎，增加圍巖控制難度。為實現3506 運輸巷圍巖有效控制，提出采用圍巖注漿、表面噴漿方式對圍巖進行支護。

2 巷道圍巖加固技術方案

3506 運輸巷頂板為復合頂板，容易風化，加之掘進區域存有斷層等地質構造，增加圍巖控制難度，若采用以往的架棚、噴漿及錨桿支護方式，雖然可實現圍巖控制，但面臨架棚變形嚴重、支護效率低以及成本高等問題[6-9]。根據現場情況，提出采用注漿方式加固巷道破碎圍巖并對表面進行噴漿（厚度100 mm以上）實現及時封閉，避免圍巖風化并提升圍巖表層支護強度。

2.1 圍巖支護參數

3506 運輸巷在地質條件正常情況下，采用錨網索噴對圍巖進行控制，由于巷道埋深較淺，地應力對圍巖控制影響較小，支護參數僅需控制復合頂板圍巖變形即可。具體頂板及頂板支護參數見表1 所示。

表1 錨網索支護參數

3506 運輸巷采用錨網索支護完成后，C25 混凝土進行護表，噴射厚度100 mm，采用的圍巖支護措施在地質條件正常階段可滿足巷道圍巖控制需要，但是當掘進遇到地質構造時，受到地質構造、圍巖破碎等影響，容易出現變形量大、冒頂等問題，影響巷道掘進安全，這就需要采用注漿方式對破碎圍巖進行加固，減少圍巖松動范圍。

2.2 圍巖加固

3506 運輸巷圍巖加固起點為掘進至構造影響范圍前10 m，注漿加固終點為掘進過構造影響區后10 m，確保構造影響破碎區圍巖通過加固后，承載能力及穩定性明顯增強。

2.2.1 圍巖加固模擬分析

依據3506 運輸巷現場條件，采用UDEC 軟件構建模擬模型，對構造影響范圍內巷道圍巖注漿加固前后變形情況進行分析，構建的模型長、寬分別為120 m、45.5 m，煤層及頂底板巖性參數見表2 所示。

表2 煤層及頂底板巖性參數

UDEC 模擬仿真結果見圖1 所示，從圖1 中可直觀看出注漿前后巷道頂板出現明顯變化；注漿前巷道頂板由于承載能力較差、裂隙發育，導致出現嚴重變形，甚至出現垮落情況；注漿后頂板穩定性及承載能力均明顯提升，頂板僅有較小變化。具體監測得到注漿前后巷道圍巖變形情況見表3 所示。從模擬情況以及圍巖變形監測情況得知，3506 運輸巷采用注漿加固后，頂板及巷幫穩定性均會顯著增強，不僅可避免復合頂板垮落下沉問題，還可降低巷幫、底板變形量，實現圍巖變形有效控制。

圖1 圍巖變形模擬結果

表3 圍巖變形量 單位：mm

2.2.2 鉆孔施工參數

具體巷道注漿鉆孔布置見圖2 所示。

圖2 圍巖注漿鉆孔布置圖（單位：mm）

1）頂板加固鉆孔。在構造破碎帶影響范圍巷道頂板每排布置3 個注漿加固鉆孔，中間鉆孔布置在巷道中線位置、垂直頂板施工，兩側鉆孔與巷幫間距均為0.8 m 且均有65°外插角，注漿孔排距均為2 m。布置的頂板鉆孔孔深均在5.6 m 以上，以便實現直接頂全覆蓋加固，注漿孔孔徑統一為40 mm。頂板注漿分2次進行，首先進行靠近巷幫位置的一次鉆孔注漿，后對巷道中線位置的二次鉆孔注漿，避免注漿漿液在注漿壓力作用下出現穿孔問題，提升頂板巖體注漿加固效果。

2）巷幫加固鉆孔。在構造影響區內巷幫煤體破碎，為提升巷幫注漿加固效果，巷幫注漿鉆孔布置成上下兩排，上排鉆孔與頂板間距為1 m、仰角為10°；下排鉆孔與上排鉆孔間距1 m，垂直巷幫施工。巷幫鉆孔排距為2 m，鉆孔孔徑統一為40 mm。鉆孔孔深統一為5 m。為避免鉆孔注漿是出現穿孔問題，注漿鉆孔分2 次鉆進、注漿，先完成巷幫一次鉆孔注漿，后再進行二次鉆孔注漿。

2.2.3 注漿材料及參數

注漿材料選用聯邦加固1 號，該材料為雙液注漿材料，具有早強、滲透性強、快凝以及結石率高等優點，注漿材料膠結時間、膠結強度可調。現場注漿時漿液水灰質量比控制在0.8∶1，擴散效果及膠結效果可滿足現場注漿需要。注漿材料混合后，失去流動性時間、完全固化時間分別為1～3 min、5～15 min，混合8 h 后黏結強度達到2 MPa 以上、抗壓強度達到12 MPa 以上。

現場注漿時將注漿壓力控制在4～6 MPa，在注漿期間密切關注頂板、巷幫注漿情況，避免注漿壓力過大引起噴漿層開裂。注漿結束以注漿壓力達到上限或者注漿量不再增加為準。

3 現場應用效果

在3506 運輸巷過地質構造時采用注漿方式對頂板、巷幫進行加固后，對構造破碎帶影響范圍內的巷道圍巖變形情況進行持續監測，具體監測結果如圖3 所示。

圖3 圍巖變形監測曲線

對巷道圍巖注漿加固期間，巷道表層噴漿層未有開裂情況，同時頂底板、巷幫變形分別控制在135 mm、37 mm 以內，巷道圍巖變形量較小，可滿足后續使用需要。

4 結論

1）3506 運輸巷為復合頂板，在掘進過程中遇構造破碎帶時容易出現圍巖變形量大、冒落等風險。為此，提出采用注漿加固方式對巷道復合頂板、巷幫進行加固，提升構造破碎帶圍巖承載能力、穩定性，維護巷道圍巖穩定。

2）采用UDEC 軟件對注漿加固前后巷道變形情況進行分析，發現注漿可顯著降低圍巖變形。依據巷道現場情況設計注漿加固方案，在頂板及巷幫均采用分次注漿方式，可提升注漿效果并避免注漿期間出現漿液穿孔問題，同時注漿期間未出現表面噴漿層破裂情況。現場應用后，3506 運輸巷頂底板、巷幫變形控制在135 mm、37 mm，圍巖較為穩定，實現了復合頂板破碎帶圍巖的有效控制。