注浆加固技术在动压影响巷道中的应用

张德志

（煤炭科学技术研究院有限公司矿用材料分院，北京 100020）

煤矿巷道支护状况直接影响矿井的安全生产[1]，随矿井埋深的增加，受瓦斯、地质构造等因素影响，矿压显现愈发明显，开采难度增加。巷道开掘后，支护状况受埋深、施工层位、周边巷道布置、支护形式、强度及采动等因素影响[2-3]，尤其是受采动即动压影响时矿压显现最为明显，巷道围岩出现严重变形，威胁安全生产。针对该问题，通过永安煤矿32采区三条下山现场调查评价、数值模拟分析、制定加固方案及实施、现场施工反馈等工作[4]，开展对动压影响下底板岩巷加固技术研究。

1 工程概况

永安煤矿设计生产能力65万t/a，采取平硐-暗斜井混合开拓方式，主采3#煤层，煤层赋存稳定，煤厚5.4～7.2 m，平均煤厚6.4 m，煤层倾角约2°～4°，顶板、底板均为泥岩与砂质泥岩互层。矿井现生产采区为32采区，采区布置三条下山，采用锚喷支护。采区正在组织生产的工作面为3208工作面及3210工作面，已回采结束的工作面为3209工作面，采区以北为相邻五里庙煤矿采空区。采区三条下山受多次采动影响，先后经历多次扩修、加固，巷道变形严重，主要表现为顶板下沉、两帮内鼓及片帮，存在极大的安全隐患，严重威胁矿井的安全生产。

2 巷道破坏情况数值模拟分析

2.1 数值模拟的建立

采用FLAC3D软件进行数值模拟分析，结合矿井采掘工作面实揭资料及本区钻孔柱状图建立模型，模型长度240 m、宽度25 m、高度80 m。为提高模拟精确度，模型范围内共划分25 000个单元，35 232个节点。设定煤层倾角为3°，模型范围内确定巷道断面规格及施工层位，建立巷道上覆岩层、下覆岩层，岩石力学参数见表1，在模型顶部边界施加垂直应力6 MPa，结合现场矿压显现规律，侧压大于垂直压力，取侧压系数为1.2，模型顶、底部分别为应力边界及位移边界。

表 1 岩石力学参数表

2.2 模拟结果分析

模拟得出三条下山开掘后、受一次采动后、二次采动后三种情况下塑性区分布范围，以塑性区范围确定巷道围岩破坏范围。

（1）开掘后塑性区分布范围

巷道开挖后进行锚喷支护，所受垂直应力、水平应力重新分布，受爆破及矿压影响，巷道周边围岩均出现塑性区。巷道开掘后塑性区分布范围如图1。由图1可知，由于三条下山巷道施工层位、埋深及支护强度均一致，受垂直应力及水平应力一致，塑性区范围基本一致，宽度为3～4 m。同时也可得出，三条巷道掘进期间相互影响较小。

图1 巷道开掘后塑性区分布范围

（2）一次采动后塑性区分布范围

三条下山受3208工作面采动影响，超前应力显现明显，一次采动后下山巷道围岩塑性区分布如图2，由图2可知，巷道周边塑性区范围分布明显变大，宽度约4.5～6.5 m，较开掘后巷道右帮塑性区范围增加近1.5 m。另由于回风下山巷道北临五里庙煤矿采空区，左帮塑性区范围较开掘后巷道增加近2.5 m。

图2 一次采动后下山巷道围岩塑性区分布

（3）二次采动后塑性区分布范围

三条下山受3208工作面、3210工作面采动及超前应力叠加影响，二次采动后下山巷道围岩塑性区分布如图3。由图3可知，巷道周边塑性区范围分布较一次采动时进一步变大，宽度约6～8 m，增加约1.5 m。由于材料下山南临3208工作面、3210工作面，巷道右帮塑性区较左帮塑性区宽2 m。

图3 二次采动后下山巷道围岩塑性区分布

综上所述，巷道开挖后，周边塑性区分布范围随一次采动影响、二次采动影响逐渐增大，周边围岩破坏情况加剧。其中，回风下山巷道靠近临近煤矿采空区、材料下山巷道靠近回采工作面一侧变形尤为明显，受影响最大。计划采用注浆对巷道周边围岩进行加固。

3 注浆加固设计

3.1 注浆加固原理

利用高压力注浆泵、注浆管向巷道周边塑性区围岩注入浆液，浆液充填围岩裂隙后快速凝固，与周边围岩形成整体，提高围岩强度及承载力。

3.2 注浆材料

结合现场围岩状况及借鉴其他矿井注浆经验，选用水泥浆及ZKD高水速凝材料双浆液。随水灰比的增加，浆液粘度、屈服强度随之增加，具有强度高及快速凝结的特性。

注浆管采用直径25 mm一般焊接管加工而成，长度1.5 m，一端车丝长度30 mm，距该端头1.2 m、1.35 m分别打设两个直径6 mm小孔；使用封孔胶进行封孔，长度1.2 m。

3.3 注浆工艺

安装注浆管→注清水试验→制浆→注浆→对下一个注浆孔注浆→停机清洗→卸除孔口球阀。

ZKD型高水速凝材料由主料和配料组成，混合后凝固时间极短，考虑井下工人操作水平及浆液输送距离，将主料及配料分开输送。

3.4 注浆参数

（1）制浆。借鉴其他矿井注浆经验，水灰比采用1.5:1，ZKD高水速凝材料按11%比例加入，主料及配料比为1:1。

（2）注浆压力及注浆量。注浆开始后通过压力表控制压力由零持续上升，保证浆液沿裂隙扩散充分、均匀，终孔压力2～3 MPa。单孔达到设计压力值，并持续10 min不吸浆，即可停机开启卸压阀，之后更换注浆孔。

（3）拆除球阀。待停机清洗后，至少等待6 h方准拆除球阀。

（4）注浆孔设计。注浆孔直径42 mm，孔深2400 mm。结合现场三条下山巷道变形特征，同时考虑底鼓量小，计划对巷道顶板及两帮进行全断面注浆，提高顶帮围岩强度。沿巷道掘进方向，每排布置6个注浆孔，排距2 m，其中，顶板布置两个注浆孔，两帮各两个。顶板注浆孔按与竖直方向呈45°打设，对称布置，两帮注浆孔间距1 m，下部一根注浆孔距底板0.5 m。注浆孔布置示意图如图4。

图4 注浆孔布置示意图（mm）

4 注浆效果分析

采用施工探查孔的方式对注浆效果进行验证。钻孔施工完毕后，采用钻孔窥视仪对注浆段巷道围岩进行观测，查看围岩裂隙填充情况。另对围岩进行取样，查看胶结效果及强度。

由于三条下山巷道地质采矿条件及施工条件相似，选取材料下山巷道顶板及紧邻工作面帮部围岩进行分析，使用钻孔窥视仪对距巷道孔口1.5 m处里外围岩进行观察。材料下山围岩注浆前后对比图如图5。由图5可知，围岩在注浆前较破碎，受围岩松软、存在裂隙影响，孔壁破损明显，注浆后浆液与围岩形成一体，孔壁完整。另取材料下山注浆后巷道顶板岩石，与注浆前顶板岩石进行对比分析。注浆前围岩破碎，存在孔隙，且易断裂，注浆后浆液填充了围岩裂隙，与围岩胶结形成一体，整体性及强度明显提升。

图5 材料下山围岩注浆前后对比图

5 结论

（1）结合32采区三条下山巷道实际地质采矿条件，通过数值模拟结果可知，受工作面采动影响，巷道围岩塑性区范围逐渐增大，且靠近工作面侧围岩受破坏程度加剧。

（2）结合围岩受压破坏的变形特征，采取注水泥浆及ZKD高水速凝材料双浆液加固措施，通过对比注浆前后围岩状况，浆液与岩石胶结形成一体，围岩强度及承载力明显提高。

（3）对受压变形大、围岩破碎的巷道，采取注浆措施达到加固的效果，对类似条件下巷道注浆加固提供借鉴的意义。