某铁矿采矿进路极破碎顶板注浆加固技术研究

殷登才 孙茂贵 陈 晨 印提军

（安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司）

某铁矿5盘区采矿进路开采方式为多中段联合开采，采矿方法为上向分层进路充填法。根据地质报告，其硬度系数f为6～8，支护方式采用全断面喷锚网。在该铁矿-390 m中段5盘区开采至-375 m水平时，采矿进路在多中段开采影响下大面积来压，造成部分采矿进路严重破坏，围岩体松软破碎严重，在软弱破碎围岩中掘进采矿进路时易造成落石、冒顶等事故的发生，对后续采矿进路的掘进极为不利。针对此问题，文武军等［1］提出采用注浆技术对巷道冒落区进行加固，结果表明，注浆技术能很好地解决巷道施工中的冒顶问题；王恒等［2］以云南某铜矿为工程背景，针对软弱破碎矿体成孔凿岩开采困难等问题，引入了化学注浆预加固方案进行优化开采，并建立了破碎铜矿化学注浆控制标准，通过钻孔探测仪检测了注浆效果；秦健春等［3］以松散体包围下破碎矿柱回采为工程背景，详述了高压注浆加固松散体技术及注浆工程布置、注浆主要参数计算以及注浆工艺过程，有效解决了松散体稳固性差、回采作业安全性差以及矿石损失贫化大等问题；许昌毓等［4］以王家岭煤矿20101工作面胶带巷破碎围岩加固为工程背景，确定工程中深浅孔—高低压耦合注浆加固的合理注浆压力，揭示了耦合注浆加固的作用机理。张清［5］基于裂隙注浆浆液扩散规律的研究，通过理论分析得出了裂隙岩体中牛顿流体的浆液扩散规律，验证了裂隙岩体中牛顿流体扩散规律应用的可靠性。

本研究针对某铁矿-390 m中段5盘区采矿进路极破碎顶板的加固问题，分析破碎顶板产生的原因，进而提出应对措施。

1 顶板不稳固原因分析

为了扩大铁矿的生产规模、提高经济效益，该铁矿采用了多中段联合开采的模式。多中段联合开采方法同时对多个中段布置采场，在提高生产效率的同时，也带来了一些问题。由于多个同时开采的中段共同作用，使得附近围岩应力场变换复杂，地压显现剧烈，造成部分未开采进路的围岩出现严重破坏，特别是进路顶板区域，形成了极破碎区。开采具有极破碎顶板的采矿进路非常容易引发落石、冒顶等事故，对后续的掘进极为不利。

为了保证具有极破碎顶板采矿进路的安全稳定开掘，首先需要治理的就是破碎顶板。因此，提出采用注浆加固技术，通过注浆浆液将采矿进路破碎顶板胶结成一个整体，在进路顶板部分形成注浆加固帷幕，以保证采矿进路掘进安全，防止冒顶事故的发生，提高采矿进路的施工效率。

2 极破碎顶板注浆加固方案

极破碎顶板注浆加固方案主要分为2个部分：壁后充填注浆和超前帷幕注浆。其中，壁后充填注浆主要是为了加固距离施工迎头后3.0～5.0 m范围，在工作面附近形成止浆垫，为超前帷幕注浆提供工作条件。

超前注浆帷幕即在进路没有开采前，在工作面进行钻孔注浆，对工作面前方一定距离的破碎围岩进行提前加固。当多个注浆孔的浆液扩散重叠在一起时，可以在注浆区域形成一道加固帷幕，有效提高围岩的强度和稳定性。超前帷幕注浆的钻孔孔径及注浆压力均比较大，容易在施工过程中造成工作面的破坏和漏浆现象，而有了止浆垫的作用，可以保证超前帷幕注浆施工的安全稳定。

2.1 壁后充填注浆技术方案

在巷道周边采用ϕ45 mm风钻钻进4 m，巷道布孔4个，间排距为1 200 mm，如图1所示。采用ϕ38 mm×500 mm注浆管封孔注浆，封孔长度为300 mm，浆液为双液浆，开孔仰角为72°±2°，切向角为0±2°。

注浆采用单液水泥—水玻璃浆液，水泥使用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比控制在0.8～1.0，水玻璃的掺量为水泥用量的3.0%～5.0%。浆液结石率不低于92%，浆液固结体强度不低于20 MPa，注浆压力控制在2.0 MPa以内，保证喷层不发生开裂，且浆液扩散半径达到1.5 m。

2.2 超前帷幕注浆技术方案

在采矿进路掘进迎头位置施工超前帷幕注浆钻孔，形成长短孔耦合注浆加固效果。注浆加固采用循环注浆方式，每循环加固范围为超前掘进工作面30.0 m左右，每注浆循环搭接长度不少于3.0 m。每循环布置11个注浆孔，孔底位于采矿进路顶板上方5.0 m位置。注浆加固时应严格遵守钻一个孔、注一个孔的施工方法，以避免浆液沿其他注浆孔串浆。

本方案共布设2组注浆钻孔，第1组的5个注浆孔位于顶板轮廓线下方500 mm处，编号依次为3-1#、3-2#、3-3#、3-4#、3-5#，间距为1 200 mm；第2组6个注浆孔位于顶板以下1 000 mm位置，编号依次为4-1#、4-2#、4-3#、4-4#、4-5#、4-6#，间距为1 000 mm。第1组注浆孔采用2次施工与注浆的循环方式，第一次作业是注浆加固工作面迎头8.0 m范围内顶板，第二次作业时对该孔采取扫孔延伸的方法，把顶板加固范围扩大至20.0 m。第2组注浆孔旨在控制较远加固范围，注浆加固长度为30 m；第2组注浆孔同样采用2次或多次施工与注浆的循环方式，第一次作业是注浆加固工作面迎头12.0～15.0 m范围内顶板，第二次作业时对该孔采取扫孔延伸的方法，把顶板加固范围扩大至30.0 m，依次类推，第n次作业也是对该孔采取扫孔延伸的方法，直至采矿进路穿越破碎带区域为止。

注浆钻孔布置如图2所示。第1组施工按照3-1#→3-2#→3-3#→3-4#→3-5#的顺序钻孔及注浆，此时钻孔深度为8.0 m；在完成注浆后对第1组钻孔依次复孔延伸至20.0 m进行复注；然后继续按照4-1#→4-2#→4-3#→4-4#→4-5#→4-6#顺序组织第2组钻孔的施工与注浆工作，并严格按照上一注浆孔完成注浆加固后再施工下一注浆孔。为扩大注浆范围与保证注浆效果（向采矿进路两侧扩大2.0 m范围），建议钻孔按一定的切线角施工。

浆液调配使用与壁后注浆加固相同，注浆终压设定为5 MPa，以保证浆液扩散半径达到3 m。

3 工程应用

根据上述方案，在某铁矿-390 m五盘区的-370 m水平521#联巷（交叉点前21 m）进行了工业实验。从521#联巷试验开始，在进路两帮、顶板布设测点，开展了围岩收敛变形监测。从监测结果来看，采矿进路围岩变形量较小，帮部内挤量为105.81～114.12 mm，顶底板移近量为141.40～133.83 mm。监测结果表明，注浆后可将破碎围岩胶结在一起，提高了围岩的整体稳定性与强度。

注浆结束后，掘进发现岩体间裂隙被浆液充填饱满，水泥体与岩石结合紧密，在采用锚杆、锚索支护中顶部未发现明显离层裂隙，能够形成有效支护圈。这说明注浆加固技术能有效保证采矿进路的掘进安全与围岩稳定，是一种行之有效的围岩控制技术手段。

4 结语

通过-390 m中段5盘区工业试验发现，针对具有极破碎顶板的采矿进路，通过壁后注浆加固与超前帷幕注浆加固技术能够有效地控制破碎顶板的稳定，保障采矿进路掘进及矿体回采安全，是一种行之有效的技术手段。注浆加固技术在该铁矿的有效应用，为破裂顶板矿体的安全开采提供了技术保障。