软岩巷道变形破坏特征及围岩注浆加固技术研究

杨文忠

（霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限责任公司，山西 霍州 031400）

引言

随着东部及中部煤炭资源逐渐枯竭，煤炭生产重点逐渐转移至山西、陕西、内蒙古及新疆等区域[1-2]。随着矿井开采范围以及采掘深度增大，煤炭生产时会遇到软岩，软岩具备有强度低、胶结性差以及容易风化等特点，给巷道掘进及煤炭开采带来一定制约[3-4]。针对软岩巷道围岩控制难度大问题，众多的研究学者对围岩变形特征及支护技术展开研究，并通过现场监测、数值模拟、相似模拟等技术手段，对软岩围岩变形特征进行分析；部分学者提出采用锚网索耦合支护、工字钢架棚支护、围岩注浆等各种支护措施，现场应用也取得一定成果[5-9]。文中以山西某矿50901 运输巷为工程背景，针对巷道围岩松软问题，对巷道围岩变形特征进行分析并针对性提出以注浆、锚网索支护为核心的围岩变形控制措施，实现了软岩巷道围岩变形有效控制，为采面煤炭开采创造良好条件。

1 工程概况

50901 综采工作面为5 采区首采工作面，采面开采的9#煤层埋深平均480 m，厚度3.6 m，赋存稳定，煤层倾角5°。9#煤层直接顶、直接底均为砂质泥岩，厚度分别为4.12 m、9.6 m，砂质泥岩强度及稳定性较差，遇水容易崩解、弱化，单轴抗压强度平均15.97 MPa；基本顶为砂岩，厚度7.9 m。50901 运输巷沿着9#煤层底板掘进，采用综掘方式，巷道为矩形断面（净高3.6 m、净宽5.2 m）。围岩支护采用锚网索方式，具体支护断面，如图1 所示。在巷道采面帮用玻璃钢锚杆（规格Φ20 mm×2 400 mm），煤柱帮及顶板用螺纹钢锚杆（规格Φ20 mm×2 400 mm），巷帮锚杆间排距均为800mm；顶板锚杆间排距均为700 mm。在顶板布置锚索（规格Φ18.6 mm×7 300 mm），锚固端位于直接顶上覆坚硬且稳定砂岩层中，一排布置3 根，间排距均为1 400 mm。在煤柱帮及采面帮分别用金属网、塑料网护帮。

图1 巷道围岩原支护断面（单位：mm）

2 巷道围岩变形特征

50901 运输巷为定性的软岩巷道，具体巷道掘进后现场围岩变形情况，如图2 所示。从图中看出，巷道顶板靠近煤柱帮位置处下沉量较为明显。巷道围岩变形以顶板下沉为主，在局部位置存在有底鼓情况，底鼓量整体较小。导致巷道顶板下沉量较大的主要原因是顶板岩层为稳定性及承载能力较差的砂质泥岩，由于强度较低、承载能力差，导致顶板岩层离层、破坏情况较为明显；在巷道顶板靠近帮肩位置处下沉量较大的原因是：巷道断面为矩形且宽度达到5.2 m，在帮肩位置容易出现应力集中，同时巷道宽度较大导致锚索无法对顶板靠近巷帮位置进行控制。

图2 巷道围岩变形现场图

采用钻孔窥视技术对50901 运输巷顶板进行探测，具体探测结果如下页图3 所示。从如汇总看出，巷道顶板离层、破裂情况明显。50901 运输巷顶板下沉量较大，会给巷道后续使用带来制约，应针对50901运输巷围岩变形特征针对性采取顶板加固技术措施。

图3 钻孔窥视成果图

3 围岩注浆加固技术

3.1 注浆加固方案

50901 运输巷顶板为承载能力较差的砂质泥岩，为提高顶板稳定性降低下沉量，提出采用注浆方式对顶板进行加固，并充分发挥锚杆索原有的支护效果，有效控制围岩变形。在50901 运输巷采用注浆方式提高顶板稳定性，由于注浆压力较高，为避免注浆过程中出现顶板垮塌、冒落等问题，在注浆加固区域采用单体、工字钢进行补强加固。

根据50901 运输巷顶板钻孔窥视探测结果以及巷道断面、裂隙分布特征等，提出采用浅孔、深孔相结合方式进行注浆，浅孔、深孔孔深分别为3 000 mm、5 000 mm，布置间排距分别为1 250 mm×1 250 mm、2 500 mm×2 500 mm，具体注浆钻孔布置，如图4 所示。浅部注浆孔一排布置4 个，排间钻孔呈三花眼形式；深部注浆孔按照3-2-3 布置形式，两排间钻孔呈三花眼形式。钻孔注浆浆液选择水泥单液浆，水灰质量比初步按照1∶1.8 设计并并根据现场注浆情况进行调整；注浆压力浅孔为3 MPa～5 MPa、深孔为5 MPa～8 MPa。

图4 注浆钻孔布置示意图

3.2 注浆加固效果

注浆加固效果评价最为直观的指标为顶板下沉量、锚杆（索）围岩受力变化情况以及顶板岩层离层情况等。对注浆加固后顶板变形量进行监测，在监测期间（共计30 d）顶板变形增加量为15 mm，下沉量稳定到355 mm。顶板变形主要发生在注浆加固前，注浆加固后变形量仅增加15 mm 且短时间内下沉量即趋于稳定，表现采取的注浆后可有效控制。

采用钻孔窥视技术对注浆后顶板岩层情况进行窥视，并对锚杆索受力情况进行监测。从窥视结果看出，注浆浆液在顶板原生裂隙以及离层裂隙中扩散，将破碎、离层岩体胶结为完整整体，提升顶板整体稳定性及强度。在注浆过程中部分浆液沿着锚杆、锚索钻孔裂隙流出，对锚杆、锚索钻孔裂隙进行封堵后浆液在锚杆、锚索钻孔内胶结相当于增加锚杆、锚索锚固长度。对注浆加固区锚索拉拔力进行测试，以便评价注浆加固效果。具体拉拔力测试结果，如表1 所示。

表1 锚索拉拔力测试结果

从表1 中看出，注浆加固区内锚索伸长量未增加，锚索拉拔力迅速增至设计拉拔力，测定发现注浆加固区锚索拉拔力均在为245.7 kN，表明注浆加固后锚索锚固效果有所提升。

4 总结

对50901 运输巷现场条件分析进行分析，并结合现场情况提出以注浆加固为核心的围岩控制技术，现场应用取得如下成果：

1）通过对50901 运输巷现场调研发现，运输巷围岩围岩变形以顶板下沉为主，其中在顶板靠近帮肩位置下沉量较大；局部位置出现一定底鼓。在顶板下沉严重区岩层离层明显，顶板破碎且裂隙发育。导致50901 运输巷顶板下沉量较大的主要原因顶板砂质泥岩岩层稳定性较差。

2）根据现场围岩变形特征，提出采用注浆方式提高顶板岩层稳定性，充分发挥锚杆索主动支护效果。依据现场情况对注浆加固方案进行设计。现场应用后，注浆加固段顶板离层情况得以有效解决，锚索拉拔力在设计范围内，顶板变形量得以有效控制。注浆加固后，50901 运输巷围岩变形问题得以有效解决。