复合顶板巷道过构造破碎带围岩加固技术

晋亚明 郝 钢

(山西汾西宜兴煤业有限责任公司，山西 孝义 032300)

矿井生产受到地质构造、高地应力、复合顶板等影响更为明显，日益成为矿井生产过程中面临的技术问题[1～3]。山西某矿二盘区地质构造发育，地应力高、构造应力复杂，同时开采的煤层有较大起伏，煤层顶板为泥岩、砂质泥岩互层的复合顶板，应根据巷道实际地质情况采取有效的围岩控制措施。

1 工程概述

山西某矿3号煤厚4.16m，倾角2°，根据前期地质勘探资料，矿井二盘区地质构造复杂，直接顶为0.8～9.5m厚砂质泥岩、泥岩互层、裂隙发育；老顶为厚6.5m细砂岩，；直接底为厚4.06m泥质砂岩。二盘区内发育有陷落柱及大量断层，在地质构造影响带附近时煤层破碎，加之煤层上覆为泥岩、砂质泥岩互层的复合顶板，盘区内掘进巷道围岩控制困难。

在2309回采工作面在掘进回采巷道掘进断面为4500mm×3000mm，巷道掘进过程中遇到多条断层，在巷道掘进过断层破碎带时围岩破碎。通过综合对比分析，矿井提出采用注浆加固方式固定破碎带内破碎煤岩体，从而确保巷道掘进安全。

2 复合顶板巷道围岩控制技术分析

2309回采巷道顶板为复合顶板，当巷道掘进过构造破碎带时，应通过降低锚杆、锚索间排距，增加布置钢架棚等方式对破碎围岩进行控制，但是仅仅采用补强支护方式并不能有效封堵巷道围岩内的破碎裂隙[4～5]。为了提升围岩内破碎岩层稳定性及承载能力，注浆加固是一个有效技术方案。通过对巷道顶板、巷帮进行注浆，使得原本破碎的岩层在浆液胶结作用下形成一个完整整体，共同维护巷道围岩稳定[6～7]。2309回采巷道围岩在掘进后容易风化，加剧巷道围岩控制难度，因此，应根据围岩岩性特点采用表层喷浆措施，避免岩层风化，巷道表层喷浆层厚度控制在100mm以上。通过表层喷浆不仅可以降低围岩风化程度，而且还能封堵表层裂隙降低注浆浆液漏浆量。

3 巷道注浆加固方案

根据2309采面回采巷道掘进过构造破碎带式围岩裂隙发育情况，为了充分对破碎带内岩层进行控制，在巷道掘进方向上注浆加固起始及终止区为构造破碎带边缘外10m位置，从而充分加固破碎带围岩。

3.1 注浆钻孔布置

1)顶板注浆钻孔

具体顶板注浆钻孔布置见图1、图2，在构造破碎带影响区域内在巷道顶板上顺着掘进方向布置注浆钻孔，每排注浆孔数量为3个，注浆注浆孔位于巷道中线方向并向上有65°仰斜角，两侧注浆孔距与巷帮间距均为0.8m，向上有65°仰角。布置的顶板注浆钻孔孔径为75mm，每隔2m布置一排注浆孔，垂深控制在8.0m。

图1 注浆钻孔布置剖面图

图2 顶板注浆钻孔布置示意图

2)巷帮注浆孔

巷帮注浆孔起始与终止位置与顶板注浆孔一致，由于巷道掘进过构造破碎带时巷帮围岩破碎，为确保注浆加固巷帮效果，在巷帮上注浆孔分两排布置。上排钻孔位于巷道顶板下方1.0m处，有10°仰角；下排注浆孔位于顶板下方2.0m处，垂直巷帮水平布置。注浆孔排距为2.0m，孔径为50mm，注浆深度控制在8.0m以上，具体巷帮注浆孔布置情况见图1及图3。

图3 巷帮注浆钻孔布置示意图

3.2 注浆孔施工工艺

由于构造破碎带内裂隙发育，为了避免钻孔注浆时出现串孔问题，提高巷道围岩加固效果，在巷道顶板及巷帮位置处布置的注浆钻孔步施工及注浆，具体注浆布置为：

1)先施工顶板及巷帮一次注浆钻孔，具体见图2及图3，然后进行一次注浆孔注浆；

2)待一次注浆孔施工、注浆完毕后，再施二次注浆孔，并进行注浆加固，注浆时按照先顶板后巷帮顺序进行。通过采用跳注方式，有效降低了注浆孔出现串孔概率，提高破碎带注浆加固效果。

3.3 注浆材料

注浆选用联邦一号，该材料为双液材料，具备速凝、高渗透、早强以及结石率高等有限，同时通过调整浆液配比可以调整胶结强度及胶结时间。注浆浆液水灰比设计为0.8：1时，浆液具备良好的扩散性能。8h后胶结的煤、岩体抗压强度、粘结强度即分别达到到12MPa、2MPa以上。

3.4 注浆防漏措施

在顶板及巷帮施工的注浆钻孔封孔距离控制在2.0m以上，由于围岩破碎，顶板注浆压力原则上在4MPa以内，巷帮注浆压力原则在6MPa以内。在注浆过程中关注顶板、巷帮变化情况，避免由于注浆压力过大造成巷帮表层喷浆层出现开裂。当注浆钻孔注浆压力达到上限或者出现漏浆难以封堵时停止注浆。

当注浆过程中出现漏浆时可以适当降低注浆速度或者暂停注浆，通过降低浆液流动性从而起到对漏浆裂隙封堵目的，每次停止注浆时间应控制在2min以内，每约2min时开机复注一次，循环往复直至注浆孔内注入的浆液可以封堵注浆裂隙，随后即可正常进行注浆加固。

4 注浆加固效果分析

在2309采面回采巷道支护时采用锚网索结合喷浆方式控制围岩变形，并采用注浆方式对顶板及巷帮破碎岩层进行加固。巷道掘进过构造破碎带时采用十字测点法对围岩变形情况进行观测，注浆完成后巷道表层喷浆层未出现开裂问题，同时破碎围岩变形得以有效控制。顶板、巷帮最大收敛量分别为143mm、38mm，由于底板未采取加固措施，出现一定底鼓，但是不会给后续巷道使用带来显著影响。具体监测到的围岩变形情况见图4。

图4 围岩变形监测结果

5 总结

1)针对复合顶板过构造破碎带时围岩变形量大，控制困难等问题，结合掘进区域内破碎围岩结构特征，提出在强化围岩支护基础上对破碎带内岩层进行注浆加固，提升围岩承载能力及稳定性，从而确保巷道安全过构造破碎带。

2)针对围岩岩性特征，采用顶板及巷帮注浆相结合方式，并详细对注浆钻孔施工及注浆加固参数进行设计。现场应用后，巷道表层喷浆层未出现开裂，顶板、巷帮位移量最大分别为143mm、38mm，确保了回采巷道掘进及使用安全。