黃祖軍 謝益盛

（淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司朱仙莊煤礦，安徽 宿州 234111）

1 工程概況

山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限公司成莊礦4310工作面主采3#煤層，3#煤層平均厚度為6 m，平均傾角為2°，煤層松軟破碎。煤層直接頂巖層為泥巖，均厚4.2 m，基本頂巖層為中粒砂巖，均厚為11.2 m。4310 工作面布置4 條回采巷道，其中4220巷和4224 巷為工作面進(jìn)風(fēng)巷，4219 巷和4224 巷為工作面回風(fēng)巷，具體工作面布置形式如圖1 所示。4220 巷與上區(qū)段4308 工作面采空區(qū)之間的凈煤柱寬度為10 m，歸類為沿空掘進(jìn)，巷道沿3#煤層底板掘進(jìn)作業(yè)。

圖1 4310 工作面布置示意圖

4220 副巷斷面為矩形，掘進(jìn)寬度× 高度=4500 mm×3000 mm，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索采用三花布置，當(dāng)巷道斷面采用一根錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，錨索布置在巷中位置處，頂板和兩幫錨桿預(yù)緊扭矩分別為300 N·m 和200 N·m，錨索預(yù)緊力為120 kN，具體錨網(wǎng)索各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)如圖2。通過(guò)礦壓分析得出，巷道沿空掘巷期間，圍巖變形量大，頂板及兩幫最大下沉量分別為0.7 m 和1.2 m，圍巖變形后頂板破碎圍巖區(qū)域最大下沉量達(dá)到0.7 m，兩幫最大移近量達(dá)到1.2 m，嚴(yán)重影響巷道正常使用。為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，擬對(duì)圍巖采用注漿加固技術(shù)，為保障注漿效果，需對(duì)注漿加固技術(shù)進(jìn)行研究和方案設(shè)計(jì)。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖（mm）

2 層次多循環(huán)注漿技術(shù)

層次多循環(huán)注漿加固技術(shù)主要原理為針對(duì)不同深度層次的圍巖體分別進(jìn)行多循環(huán)注漿，由于巷道淺部圍巖和深部圍巖的裂隙發(fā)育特征不同，淺部圍巖和深部圍巖注漿方式及漿液擴(kuò)散形態(tài)也存在較大差異，采用多層次注漿加固技術(shù)能夠保障圍巖具有多層承載殼體[1-3]，提升圍巖承載能力，采用多循環(huán)注漿技術(shù)有效提升注漿效果，具體層次多循環(huán)注漿技術(shù)原理如下：

（1）層次注漿原理（如圖3）。針對(duì)巷道圍巖淺部區(qū)域貫通性裂隙發(fā)育，漿液在淺部圍巖體內(nèi)主要以充填擴(kuò)散為主，巷道深部圍巖相對(duì)完整，圍巖應(yīng)力大，裂隙發(fā)育較少，漿液在深部圍巖體內(nèi)擴(kuò)散以劈裂注漿為主[4-5]，通過(guò)深部注漿管，采用高滲透性、低粘度注漿材料，配合高壓注漿，達(dá)到加固深部圍巖的目的。

圖3 層次注漿加固原理圖

（2）多循環(huán)注漿原理。目前常采用的注漿方式為單循環(huán)注漿和多循環(huán)注漿，現(xiàn)采用3DEC 進(jìn)行兩種注漿方式的模擬對(duì)比分析[6-7]，建立模型長(zhǎng)×寬×高=10 m×10 m×10 m，設(shè)置注漿采用的新型水泥注漿材料的配比為：525 水泥40%，矸石粉30%，增強(qiáng)劑20%，懸浮劑9%，成巖劑1%；漿液水灰比設(shè)置為0.5。

模擬作業(yè)時(shí)，設(shè)置注漿壓力為6 MPa，注漿排距為6 m，根據(jù)模擬結(jié)果得出不同注漿方式下漿液擴(kuò)散形態(tài)如圖4。

圖 4 單循環(huán)和兩循環(huán)多孔注漿漿液擴(kuò)散形態(tài)圖

分析圖4 可知，采用單循環(huán)注漿工藝時(shí)，在注漿加固厚度h 內(nèi)，存在未擴(kuò)散區(qū)域，破碎圍巖體注漿形成的承載殼體不完整；采用兩循環(huán)注漿工藝時(shí)，在加固厚度h 范圍內(nèi)，漿液均勻擴(kuò)散，注漿效果明顯優(yōu)于單循環(huán)注漿。

3 注漿方案及效果

3.1 注漿方案

4220 副巷注漿作業(yè)時(shí)，注漿材料采用新型水泥復(fù)合材料，注漿作業(yè)時(shí)采用層次多循環(huán)注漿技術(shù)，具體注漿方案如下：

（1）注漿材料及水灰比。注漿材料配比為525水泥40%，矸石粉30%，增強(qiáng)劑20%，懸浮劑9%，成巖劑1%；漿液水灰比為0.5。

（2）注漿鉆孔布置。兩幫注漿孔分為深部和淺部注漿孔兩種，淺孔孔深5 m，深孔孔深15 m，孔徑均為Ф42 mm，鉆孔垂直煤壁施工并與煤壁呈65°夾角；共布置三排注漿孔，呈五花眼布置，淺孔與深孔成組交替布置，上排孔距巷道頂板0.7 m，下排孔距巷道底板0.8 m，上排孔與下排孔之間間距2 m，間排距1000 mm×1000 mm，具體鉆孔布置如圖5（a）。 針對(duì)破碎頂板注漿加固段共布置三排注漿孔，呈五花眼布置；外側(cè)兩排注漿鉆孔距離鄰近巷道邊幫均為1 m，中間排注漿鉆孔位于巷道頂板中線位置處；注漿鉆孔間排距為1000 mm×1500 mm，孔深為4 m，注漿加固鉆孔孔徑均為Ф42 mm，鉆孔垂直巷道頂板施工。具體頂板注漿鉆孔布置方式如圖5（b）。

圖5 注漿孔布置示意圖（m）

（3）注漿方式及順序。兩幫注漿作業(yè)時(shí)，以三個(gè)相鄰淺孔為一組，三個(gè)相鄰深孔為一組，相鄰一組淺孔和一組深孔施工成孔后，間隔5 m 施工下一組相鄰的淺孔和深孔（即間隔一組相鄰深孔與淺孔暫不施工），待注漿圍巖加固穩(wěn)定后再施工被間隔錯(cuò)開(kāi)的剩余各組淺孔和深孔。頂板注漿孔注漿作業(yè)時(shí)，先以3 m 的排距實(shí)施一循環(huán)的注漿作業(yè)，當(dāng)一循環(huán)注漿作業(yè)完成后，在已注漿完畢的兩個(gè)注漿孔中部布置一排間距為3 m 的注漿孔，實(shí)施二循環(huán)注漿作業(yè)。

（4）注漿壓力。頂孔和淺孔注漿壓力為0.5～1 MPa，深孔注漿壓力3～5 MPa。

3.2 效果分析

本次注漿加固工程的效果分析采用鉆孔窺視+圍巖變形監(jiān)測(cè)的方式，具體分析如下：

（1）鉆孔窺視。針對(duì)注漿區(qū)域，在巷道兩幫、頂板各布置1 個(gè)窺視鉆孔，窺視鉆孔與注漿孔間的間距為0.7 m，其中兩幫窺視鉆孔深度為15 m，頂板窺視鉆孔深度為4 m。通過(guò)窺視分析，得出注漿區(qū)域局部實(shí)際效果如圖6。

圖6 注漿鉆孔窺視局部實(shí)際效果圖

根據(jù)注漿窺視結(jié)果可知，巷道注漿作業(yè)結(jié)束后，巷道頂板4 m 深度范圍、幫部10 m 深度范圍內(nèi)破碎圍巖內(nèi)的裂隙被有效充填，破碎圍巖得到有效膠結(jié)，大幅提升了圍巖的完整性。

（2）圍巖變形量分析。注漿作業(yè)結(jié)束后，在滯后掘進(jìn)迎頭15 m 注漿加固區(qū)域布置圍巖變形測(cè)點(diǎn)，通過(guò)觀測(cè)分析能夠繪制出圍巖變形曲線如圖7。

圖7 圍巖變形曲線圖

分析圖7 可知，注漿方案實(shí)施后，圍巖變形主要出現(xiàn)在注漿結(jié)束后的0～40 d 內(nèi)，最終巷道整體頂?shù)装搴蛢蓭鸵平糠謩e為26 mm 和69 mm，有效保障了圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）層次多循環(huán)注漿加固技術(shù)，針對(duì)圍巖淺部區(qū)域注漿時(shí)，以充填注漿為主，深部區(qū)域以劈裂注漿為主；通過(guò)3DEC 數(shù)值模擬單循環(huán)和兩循環(huán)注漿加固效果可知，采用兩循環(huán)注漿施工工藝時(shí)，漿液在加固厚度內(nèi)擴(kuò)散均勻，能夠有效保障注漿加固效果的實(shí)現(xiàn)。

（2）4220 副巷兩幫采用淺部+深孔層次多循環(huán)注漿技術(shù)，淺孔Ф42 mm×5000 mm，深孔Ф42 mm×15 000 mm，間排距1000 mm×1000 mm；破碎圍巖區(qū)域頂板注漿孔Ф42 mm×4000 mm，間排距1000 mm×1500 mm，注漿材料采用新型水泥復(fù)合材料；頂板及淺孔注漿壓力為0.5～1 MPa，深孔注漿壓力3～5 MPa。

（3）注漿加固方案實(shí)施后，根據(jù)效果分析得出頂板4 m 深度、幫部10 m 深度范圍內(nèi)破碎圍巖被有效膠結(jié)在一起，注漿后圍巖變形量小，有效保障了圍巖的穩(wěn)定。