1232运巷过陷落柱段围岩破坏特征及预注浆加固技术研究

赵亚楠

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司曙光煤矿，山西 孝义 032300）

1 工程概况

汾西矿业集团曙光煤业1232工作面位于一采区西翼，主采2#煤层，煤层均厚2.78m，平均倾角3°，结构简单，稳定可采。工作面采用综合机械化采煤工艺进行开采，煤层伪顶为泥岩，均厚0.2m；直接顶为砂质泥岩，均厚为3.2m；基本顶为粉砂质泥岩，均厚为2.35m；直接底为中粒砂岩，均厚为2.7m；基本底为粉砂质泥岩，均厚为2.2m。1232工作面运巷沿2#煤层掘进，巷道设计掘进宽度4.7m，掘进高度3.2m。地质资料显示，在巷道掘进期间会揭露3个陷落柱，且陷落柱的长轴较长，在巷道掘进揭露陷落柱采用锚杆支护时，巷道围岩变形量大，掘进工作面顶板易出现冒顶现象，故急需采用特定的围岩控制措施保证巷道顺利通过陷落柱。

2 陷落柱段围岩破坏特征

巷道在过陷落柱段由于巷道支护结构的稳定性差、支护不及时以及受到动压的影响会致使巷道围岩变形量大，巷道易出现失稳变形，巷道变形破坏的形式主要表现在4个方面，分别为：（1）巷道变形破坏包括顶板下沉、底板鼓起及两帮片帮速度快等情况；（2）围岩变形速度快，变形量大，巷道围岩区域稳定需要很长的时间；（3）围岩变形破坏位置多，在巷道的不同位置处围岩的变形破坏程度不同，巷道的顶板、两帮及肩窝的位置处为易出现破坏的位置；（4）过陷落柱段的岩体存在着较强的流变性，巷道支护结构与围岩相互作用后，巷道围岩的变形不会立即停止，会持续变形下去。

在巷道过陷落柱段结构方面，随着掘进工作面的向前推进，掘进工作面与陷落柱间的煤（岩）柱会逐渐减小，此时上覆岩层的重量会全部作用在掘进工作面前方的煤（岩）柱和巷道支护结构上，此时支护结构与煤（岩）柱共同承载的载荷表达式为：

式中：

F1-巷道支护结构所能提供的支护强度；

qm-掘进工作面与陷落柱间煤（岩）柱的平均应力；

l-煤（岩）柱的宽度。

根据相关研究表明[1-2]，当巷道掘进至陷落柱附近时，煤柱内的应力集中系数会达到4，当煤柱所受的平均应力qm＞煤柱的极限强度σmax时，煤柱便会发生破坏，致使掘进工作面发生大面积的冒顶事故。该阶段可通过注浆、贴帮柱等措施对煤柱进行加固。

当掘进工作面通过陷落柱段时，由于陷落柱内充填物较松散破碎易出现冒顶，形成冒落拱，如图1所示。图中RA、RB分别为平衡拱前后脚的支撑力，L为平衡拱前后拱角的水平距离，q为平衡拱的覆岩载荷，h为拱高，f为顶铰C与前后拱脚间的竖直距离，通过分析冒落拱的受力特征能够得出前后拱脚的水平和垂直支撑力表达式为[3-4]：

式中：

α-顶板倾角。

根据该式能够得知通过减小掘进空顶距利于保证冒落拱的稳定，在采动影响下，该平衡拱会发生破坏，从而使得冒落范围和高度进一步增大。在该阶段巷道掘进时应通过加快推进速度、注浆加固等措施来防止掘进工作面的冒顶和片帮现象。

图1 冒落拱受力分析图

3 预注浆加固技术及围岩控制技术

3.1 超前预注浆方案

根据巷道过陷落柱段的围岩破坏特征，决定对1232工作面运巷进行超前预注浆的方式保证巷道顺利掘进通过陷落柱，对预注浆各项参数进行具体设计。

（1）注浆材料与水灰比

注浆材料选用高水速凝材料，在综合考虑了施工条件、材料消耗及浆液固结强度等因素后，确定浆液的水灰比为1.5。

（2）注浆压力

由于陷落柱内裂隙发育程度较差，并且设计注浆孔较深，基于此确定注浆压力为5～6MPa。

（3）注浆孔深及布置形式

在对注浆孔深及布置形式进行设计时，应保证浆液能够尽可能多的渗入破碎围岩中。根据运巷的具体情况，并综合考虑到机具条件后，确定注浆孔深为10m，每排布置4个注浆孔，中间两个注浆孔沿着巷道的轴向布置，两侧注浆孔向巷道两帮倾斜约10°，孔的仰角为20°，注浆孔间距为1m，排距为6m，具体注浆孔的布置形式如图2所示。

图2 钻孔布置位置示意图

（4）注浆量

为保证单孔注浆量，应保证在注浆作业时，注入的浆液能够有效地充满围岩裂隙，单孔注浆量可用下式进行大致计算：

式中：

Q-单孔浆液注入量，m3；

L-钻孔长度方向加固区厚度，m；

A-浆液消耗系数（1.2～1.5）；

R-浆液的有效扩散半径，m；

λ-浆液的充填系数；

β-围岩的裂隙率（1%～5%）。

（5）注浆设备

本次超前预注浆作业时，使用ZBQ-70/7气动双液注浆泵进行注浆作业。注浆花管长度设计为6m，并在其一端加工长度30mm的外螺纹。注浆花管上每隔0.5m打设2个直径为5mm的小孔，用来将浆液从花管流入岩体中。在注浆孔孔口采用布袋进行封孔，防止浆液的外漏，封孔长度为2m。

（6）注浆作业流程

先在运巷掘进头按设计用钻机打设钻孔，钻孔打设完毕后为防止塌孔现象，应及时安放注浆花管。待钻孔打设完毕且注浆花管安装好后，进行封孔作业，待封孔结束后约40min左右时，便可开始注浆施工。巷道断面内注浆顺序为巷道顶板左侧到右侧依次进行注浆作业，在单孔注浆作业完成后，应及时用清水对注浆管路进行清洗。

3.2 锚杆（索）支护方案

巷道过陷落柱段超前预注浆加固后，在加固后巷道上采用原本巷道设计的锚杆（索）支护形式来控制巷道围岩变形。1232运巷过陷落柱段巷道断面内顶板布置5根高强螺纹钢锚杆，型号为Φ20×2400mm，巷道帮部布置3根高强螺纹钢锚杆，型号为Φ20×2000mm，巷道顶板锚杆的间排距为1400×800mm，巷帮锚杆的间排距为1200×800mm。根据过陷落柱段围岩顶板易冒落、两帮易片帮的特征，在锚杆支护的基础上增设锚索，顶板锚索每隔4排锚杆打设两个，即锚索的排距为3.2m，锚索长度为7.0m，设计预紧力为120kN，具体巷道支护如图3所示。

3.3 效果分析

1232工作面运巷过陷落柱段采用超前预注浆+锚杆（索）支护的形式对巷道围岩进行控制，现场观测，在巷道掘进过陷落柱时未出现冒顶、片帮现象。通过布置矿压观测站对巷道表面位移量进行持续一个月的观测，对超前预注浆加固及围岩控制方案的效果进行更为确切的验证，并将巷道采用超前预注浆加固+锚杆（索）的支护形式与巷道原本采用的锚杆支护形式下陷落柱段巷道的围岩变形量进行对比，观测结果如图5所示。

图3 巷道过陷落柱段支护形式示意图

图4 注浆加固前后巷道围岩变形量曲线图

通过分析图4可知，巷道过陷落柱段在锚杆的支护下围岩会呈现出持续不断的变形。在对过陷落柱段进行超前预注浆加固+锚杆（索）的支护形式后，巷道过陷落柱段顶底板及两帮的变形量主要出现在注浆加固后的20d内。注浆加固后巷道顶底板最大移近量为105mm，两帮最大移近量100mm，其中顶板最大下沉量为50mm，底板最大鼓起量为55mm，有效地控制围岩的变形。

4 结论

通过分析巷道掘进过陷落柱时围岩的破坏特征，并结合1232工作面运巷的掘进过陷落柱时的具体情况，提出采用超前预注浆方式对巷道围岩进行加固，然后再采用锚杆（索）的支护形式来控制围岩的变形。矿压监测结果显示，采用改进的支护方案后，1232工作面运巷过陷落柱段顶底板最大移近量为105mm，两帮最大移近量100mm，保证了巷道过陷落柱段围岩的稳定。