长平矿底抽巷破碎围岩注浆加固技术研究

史文龙

（晋城宏圣金成矿山建筑工程有限责任公司，山西 晋城 048000）

1 概况

晋能控股集团长平矿5304 工作面底抽1 巷，巷道尺寸为5 m（宽）×3.3 m（高），巷道顶板为K7 砂岩或砂质泥岩[1]，巷帮为泥岩岩层，泥岩岩层受风化和水的影响显著。为了预抽瓦斯，需要在底抽巷巷帮及顶板表面斜向上打设密集的上行Ф113 mm 抽采钻孔，钻孔示意图如图1。钻孔的施工扰动和工程用水的水化作用进一步破坏了底抽巷围岩的完整性，导致抽采钻场施工的1～3 个月后底抽巷围岩变形严重，部分区域顶板最大下沉量约0.7～1.0 m，影响了巷道的安全使用。

图1 5304 底抽1 巷上行钻孔布置剖面图（m）

2 底抽巷围岩稳定性分析

2.1 围岩矿物成分分析

在5304 底抽1 巷距巷道开口500～700 m 之间的3 处掘进面取样，每处掘进面各采3 块泥岩立方块体，立方块体最小尺寸不小于15 cm，累计泥岩立方块体9 块。将所取试样的X 射线衍射数据与矿物的标准X 射线衍射数据对比，得到试样中的矿物种类见表1。由表1 可知，5304 底抽1 巷泥岩试样中含有的矿物主要有石英、钾长石、钠长石、方解石、白云石、菱铁矿、非晶质矿物和黏土矿物等，其中黏土类矿物总占比达52.6%。由此表明，5304 底抽1 巷泥岩将对底抽巷稳定性产生显著影响，应采取科学合理的措施将其影响降至最低，保障底抽巷的安全服务。

表1 矿物种类、含量及黏土矿物总量统计表 %

2.2 瓦斯钻场及浸水扰动下底抽巷稳定性分析

现场踏勘及实验测试结果表明，五盘区底抽巷泥岩是典型的裂隙化软岩岩层，该泥岩岩层含有大量的宏细观裂隙，宏观裂隙间距基本为厘米级，徒手或敲击下较容易沿其宏观裂隙断裂[2]，其自然和饱和单轴抗压强度分别为20.7 MPa 和14 MPa，软化系数为0.68，自然和饱和抗拉强度为1.57 MPa和0.92 MPa，软化系数为0.59。地应力测试结果表明，五盘区底抽巷平均埋深700 m，最大埋深已超过800 m，最大水平地应力侧压力系数为0.88～1.35，最小水平地应力侧压力系数为0.42～0.65，具有显著的水平构造地应力特征。底抽巷打设的密集大直径上行抽采钻孔严重破坏了底抽巷两帮顶板岩层的完整性，显著降低了底抽巷围岩的强度及刚度，再加之底抽巷上行瓦斯抽采钻孔在打设期间会向钻孔注入大量的工程用水，上行瓦斯抽采钻孔在负压抽采期间上方岩层及煤层的裂隙水将流入抽采钻孔，在工程用水和岩层裂隙水的长期浸入作用下，裂隙化泥岩将产生膨胀、崩解，进一步加剧了底抽巷围岩完整性的破坏和长期强度及刚度的损伤弱化。

为了有效控制以上因素对底抽巷围岩的破坏，拟采用注浆技术加固围岩，通过数值模拟对浸水扰动下围岩注浆加固效果进行分析，得到的底抽巷顶板蠕变沉降曲线如图2。

图2 注浆加固后底抽巷顶板蠕变沉降曲线

由图2 可知，底抽巷采取注浆加固措施后，12个月内巷道围岩变形增幅仅为6.9%，且4 个月后蠕变变形已收敛，表明注浆加固对控制底抽巷围岩变形起到显著效果，因此设计底抽巷围岩注浆加固方案来控制其围岩变形破坏。

3 底抽巷围岩注浆加固方案

3.1 底抽巷围岩超前预注浆

注浆孔布置：钻孔孔径为42 mm，钻孔长度为6000 mm，封孔长度为1000 mm。在5304 底抽1 巷掘进迎头布置11 个注浆钻孔，分为上、中、下三排。上排5 个钻孔，钻孔距离巷道顶板500 m，钻孔间距1000 mm；中间布置3 个钻孔，钻孔距离巷道底板1650 mm，钻孔间距2000 mm；下排布置3 个钻孔，钻孔距离巷道底板500 mm，钻孔间距2000 mm。注浆钻孔均垂直巷道迎头煤壁打设，钻孔布置如图3。

图3 底抽巷超前预注浆钻孔布置（mm）

超前预注浆以6000 mm 为一个注浆循环，掘进6000 mm 后进行下一轮注浆，待注浆完成，迎头前方围岩受到浆液加固后再进行下一循环掘进。

注浆材料：采用联邦双液无机注浆材料，正常注浆水灰比为0.8:1，注浆过程中漏浆严重时可适当降低浆液水灰比，最低控制在0.7:1，注浆封孔水灰比为0.7:1[3]。

注浆设备：采用2ZBQ 型注浆气动泵注浆，搅拌桶为QB150 气动式注浆搅拌桶[4]。

3.2 底抽巷巷帮注浆加固

巷帮注浆加固的注浆材料和注浆设备与超前预注浆所用材料和设备相同。

注浆钻孔的空间展布位于已施工的相邻抽采钻孔之间，注浆钻孔孔径为42 mm，钻孔长度为6000 mm，封孔长度为1000 mm。根据抽采孔或观测孔是否返浆来确定注浆终止时间。瓦斯抽采钻孔施工完成后即开始巷帮注浆，通过浆液加固巷帮的破碎围岩。

3.3 注浆加固效果模拟分析

采用FLAC3D数值模拟软件对注浆方案的加固效果进行分析，图4 给出了底抽巷破碎围岩的数值模拟结果。从中可清晰地看出，采用该注浆方案后底抽巷围岩变形大幅度减小，注浆加固后顶板最大下沉量为294 mm，未注浆条件下底抽巷顶板最大下沉量达986 mm，顶板下沉量增幅达235%，存在大概率冒顶的危险。从底抽巷围岩变形角度来看，该注浆方案显著抑制了底抽巷顶板的沉降变形，提高了底抽巷裂隙化泥岩的完整性、强度和抗变形能力。

图4 底抽巷围岩总位移云图

4 现场试验效果

5304 底抽1 巷距巷口340～450 m 区域内存在SF421 正断层与SF312 延伸断层的组合断层，组合断层断距约14 m，在该区域进行注浆加固试验。现场矿压观测发现，瓦斯抽采钻场打设前顶板最大沉降变形90 mm，两帮最大移近量110 mm；瓦斯抽采钻场打设后其变形更为显著，瓦斯抽采钻场打设2 个月后顶板最大沉降变形接近190 mm，两帮最大移近量210 mm。注浆加固一个月后其围岩变形速度开始变缓，至注浆加固三个月后该区域变形已趋于稳定，此时顶板最大沉降变形为260 mm，顶底板移近量为410 mm，两帮移近量为305 mm，最大浅部和深部离层分别为92 mm 和105 mm，满足巷道安全使用的要求。如图5。

图5 底抽巷注浆试验段变形趋势曲线

5 结论

通过对5304 底抽1 巷围岩进行矿物成分分析，得到了围岩中黏土类矿物成分含量，分析了底抽巷在瓦斯抽采钻场及浸水扰动作用下的稳定性，设计了底抽巷围岩超前预注浆和巷帮注浆的加固方案，并通过数值模拟分析了注浆加固效果。现场试验表明，注浆加固三个月后底抽巷围岩变形趋于稳定，巷道变形量和顶板离层量均满足巷道安全使用的要求。由此可见，注浆加固是解决底抽巷围岩受风化和水化、抽采钻场扰动等破碎变形失稳的有效措施，为长平矿底抽巷围岩控制提供了参考。