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242020 年第 9 期 运输顺槽三角区超前注浆加固技术 姚伟伟 （山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021） 摘 要 为解决 3210 工作面回采过程中靠近运输顺槽侧煤壁片帮及移架困难造成的安全隐患，分析了注浆可以起到压力 拱加固作用、为锚杆索提供着力基础、提升支撑结构作用、强化锚杆索支护来加固围岩的机理。现场应用后发现运输顺槽 内超前预注浆解决了工作面回采时三角区煤壁片帮及移架困难的问题，超前预注浆取得了较好的效果。 关键词 采煤 三角区 超前 注浆 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.09.009 Advance Grouting Reinforcement Technology in Triangle Area of Transport Gateway Yao Weiwei Shanxi Tiandi Wangpo Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Jincheng 048021 Abstract In order to solve the hidden danger caused by coal wall spalling and frame moving at the side of transport gateway during the mining process of 3210 working face, the mechanism of grouting can strengthen the surrounding rock by pressure arch, provide the foundation for bolting cable, lift the supporting structure and strengthen the bolting support. After the field application, it is found that the advanced pre-grouting in the transport gateway solves the problems of coal wall spalling and frame moving in the triangle area during the working face mining, and the advanced pre-grouting has achieved good results. Key words coal mining triangle area advance grouting 收稿日期 2020-03-01 作者简介 姚伟伟（1987），男，山西晋城人，2016 年 1 月毕 业于山西大同大学采矿工程专业， 助理工程师， 总工办掘进技术员， 现研究方向采矿工程。 1 工程概况 王坡煤矿主采 3煤层，前期在二采区内间隔 跳跃开采，3210 工作面成为两侧均为采空区的孤岛 工作面，给工作面两巷的正常维护带来极大挑战。 3210 工作面两侧分别为 3208 工作面和 3300 工作面， 已回采完毕并且垮落基本稳定，如图 1 所示。3210 工作面两顺及高抽巷均沿采空区边缘掘进，受采空 区残余应力及采空区边缘煤体塑性区的影响，巷道 维护非常困难。3210 工作面回采过程中，由于工作 面超前支承压力影响，3210 运输顺槽和工作面交叉 区域（三角区）矿压显现强烈，煤体片帮严重，致 使顶板上部 1 m 左右伪顶出现漏顶的现象，给三角 区液压支架接顶、 移架带来了困难。 为解决上述问题， 有必要对 3210 运输顺槽进行超前注浆，通过注浆提 高煤体强度，避免三角区出现片帮和漏顶的现象。 图 1 3210 孤岛工作面位置示意图 2 加固机理分析 注浆加固旨在通过注浆泵或其他手段将具有较 强渗透性并且一定时间会凝固为具有一定结构强度 的液体注入到破碎的岩体内，浆液在注浆压力的作 用下进一步在裂隙内扩散、固结，使较大范围内的 破碎岩体胶结为整体并逐渐硬化，从而改善原先破 碎围岩的物理性能，提升其受载能力，达到加固目 的。浆液在进入破碎围岩内部并固结后，可有效提 升破碎围岩的内摩擦角与内聚力，大大提升围岩强 度。对破碎围岩进行注浆可对压力拱进行强化，在 与其他支护方式结合后，会完善压力拱的整体性， 改善其受力情况，使其承载能力大幅提升，从而维 持巷道稳定。巷道注浆作用机理有以下几点 （1）压力拱加固作用 252020 年第 9 期 姚伟伟运输顺槽三角区超前注浆加固技术 对破碎围岩进行注浆，浆液会在注浆压力作用 下对围岩压力拱内裂隙进行充填，从而达到封闭围 岩的作用，避免了压力拱受风化影响及吸水软化而 影响其强度。同时，较高的注浆压力可以将浆液扩 散不到的裂隙进行压缩，进一步提升破碎围岩的弹 性模量，破碎围岩内压力拱的性能得到改善，使围 岩抗变形能力大幅提高，故可提升破碎围岩强度， 更有利于巷道稳定 [1]。 破碎巷道围岩多由浅部围岩的应力集中所致， 此时破碎岩体的内聚力 c 和内摩擦角 φ 低于原始值。 对破碎围岩进行注浆加固，可使破碎区域的强度提 升。在摩尔 - 库伦强度理论下对注浆加固的效果进 行分析时，用直线型包络线描述岩体强度，岩体注 浆后的抗剪强度 τcσtanφ，其中 σ 为正应力。 破碎围岩在注入稳定性好、固结后强度高的浆液后， 破碎岩体的内聚力 c 和内摩擦角 φ 会提高，可进一 步提升破碎围岩的抗剪强度，从而远离强度包络线， 如图 2 所示。 图 2 摩尔 - 库仑强度理论下注浆前后岩体强度变化图 经实验室测定 [2]。注浆加固后岩体的内聚力 c 可提升 4070，并且浆液进入围岩到固结变形 能力较大，可减少部分巷道的变形能，降低破碎巷 道围岩的变形程度。 （2）为锚杆索提供着力基础 应力集中造成的浅部围岩破碎会由于应力进一 步向围岩深部转移而导致深部围岩也出现裂隙，从 而使锚杆索丧失对其约束范围内围岩横向及径向形 变的控制力，即达不到正常的锚固质量。通过对锚 杆索长度范围内的围岩进行注浆，可使原先破碎的、 难以控制的围岩胶结为整体，从而为锚杆索提供可 靠的着力基础，保证锚杆索对其约束范围内围岩的 控制效果。 （3）提升支撑结构作用 围岩内部多数裂隙是互通的，故注浆压力作用 下浆液会在相邻裂隙内充填扩散，直至充填满所有 裂隙。随注浆时长的增加，在现有裂隙充填完全后 会由于压力作用劈裂产生新的裂隙，故在浆液停止 扩散固结后，会形成不规则立体网格骨架结构。该 结构可以对松散破碎的围岩进行支撑控制，使原先 松散破碎的围岩成为整体，改善围岩强度。当注浆 后的围岩自身的极限强度小于所承受载荷时，由于 浆液与破碎围岩固结后有一定的韧性，可以有效抵 消围岩变形，防止巷道短时间内出现较大变形。 （4）强化锚杆索支护 破碎围岩注浆是由浅入深的过程，浅部围岩也 会得到充分固结。故在注浆加固后端头锚固锚杆索 可转变为全场锚固锚杆索，从而提升其锚固性能， 使更大范围的围岩得到控制，普通的锚杆索支护体 系转变成整体性及强度较高的锚杆索支护压力拱体 系，其承载能力大于正常情况下锚杆索支护体系。 3 注浆方案设计及效果分析 3.1 方案设计 根据3210运输顺槽现场围岩条件， 确定使用 “天 地加固 1 号”化学浆材料进行 3210 运输顺槽帮部 加固。巷道破碎围岩注浆深度的设计可以参考围岩 松动圈半径值，一般来说注浆加固应使松动圈内的 破碎围岩都得到固结，因此需要使注浆深度大于等 于巷道松动圈半径的长度。3210 运输顺槽松动圈半 径 R 由公式（1）[3]得到 1 sin 2sin cot1 sin cot s CP Rr PC ϕ ϕ ϕϕ ϕ − −   （1） 将 3210 运输顺槽围岩的具体参数代入式（1）， 待加固区域的支护反力 Ps取 0，顺槽围岩的内摩擦 角 φ 取 47.9，顺槽半径 r 取 2.5 m，顺槽受原岩应 力 P 取 9.3 MPa，顺槽围岩的粘聚力 C 取 2.98 MPa， 得到 3210 运输顺槽的松动圈半径为 2.6 m。考虑现 场3210运输顺槽和工作面交叉区域存在叠加应力， 围岩会进一步破坏，松动圈的半径会不断扩大，因 此为了充分加固松动范围，并使稳定的围岩与破碎 围岩胶结成整体，提升其整体强度，故确定注浆深 度为 5 m。 现场注浆作业时注浆压力 P0可通过经验公式 [4] （2）计算 P0KR （2） 3210 运输顺槽的松动圈半径 R 为 2.6 m，根据 经验，井工巷道注浆时的压力系数 K 取 1.4MPa/m。 姚伟伟运输顺槽三角区超前注浆加固技术 262020 年第 9 期 及围岩控制造成的影响，提出强顶板支护的围岩控 制方案。 现场应用表明，采取强化顶板支护方案后，巷 道过断层 11 d 时巷帮及顶底板最大变形量分别为 65 mm、85 mm；过断层 30 d 后，巷帮及顶底板最大 变形量分别为66 mm、 86 mm， 围岩控制效果达到预期。 【参考文献】 ［1］ 朱海峰 . 过连续断层区煤巷掘进及支护技术研究 [J]. 煤矿现代化，2020（01）56-58. ［2］ 武东亮 . 巷道过断层群稳定性分析及支护技术研 究 [J]. 能源与节能，2020（01）124-125128. ［3］ 张勇 . 巷道过断层破碎带掘进与支护技术研究 [J]. 山东煤炭科技，2019（12）66-68. ［4］ 郭晓朋 . 掘进巷道过断层支护技术探究 [J]. 能源 与节能，2019（11）91-92. （上接第 23 页） 通过计算得到该顺槽进行巷道注浆加固作业时的注 浆压力为 3.64 MPa，为使现场作业人员便于施工， 确定 4 MPa 的注浆压力。为了使破碎围岩的注浆加 固取得良好的效果，现场注浆时，原则上注浆至注 浆泵自动停止，即围岩内浆液可以扩散到裂隙全部 充填为止。 注浆钻孔的排距与间距可参考浆液通过注浆钻 孔的扩散半径进行布置，通过公式（3）可得到巷 道注浆作业时浆液的扩散半径 R0 00 0 2kt r p R η （3） 现场每个注浆钻孔的注浆时间t取13300 s， “天 地加固 1 号”化学浆材料的相对黏度 μ 为 2.68，注 浆时的注浆压力 P0取 6 MPa，该矿所用注浆管路半 径 r0为 7.5 cm，3210 运输顺槽工作面侧的孔隙率 η 和渗透系数 k 分别为 4、0.015 cm/s。计算得浆液 扩散半径为 5 m，即浆液通过注浆钻孔可形成半径 5m 的半圆形加固区域。但是加固区边缘的加固效 果小于加固区中心的效果，因此，相邻两排注浆钻 孔的排距小于浆液的扩散半径，即使两排注浆钻孔 的扩散半径有一部分重叠，可以得到更好的加固效 果，因此设计注浆钻孔的排距为 3 m。 通过上述参数计算，并考虑本次工程背景中注 浆加固只需要 3210 运输顺槽工作面帮注浆后降低 回采至注浆区域煤壁片帮现象的发生，减小三角区 液压支架移架的困难，并不需要长期稳定，故只设 计 3210 运输顺槽工作面帮上距顶 500 mm 处和距顶 1500 mm 处分别布置一个注浆钻孔，靠近顶的钻孔 设计仰角 20，靠近底的注浆钻孔水平布置，如图 3 所示。注浆钻孔排距 3000 mm，随采在超前工作 面 10 m 处进行打孔及注浆作业以保证工作面的正 常回采。 3.2 应用效果分析 3210 运输顺槽在应用上述注浆方案进行工作面 帮的加固后，工作面回采期间工作面与运输顺槽交 界的三角区基本没有大面积片帮现象出现，并且三 角区液压支架没有安全阀开启现象发生，工作阻力 始终保持在工作面液压支架平均工作阻力范围内。 说明由于运输顺槽侧工作面帮进行注浆加固，使顺 槽围岩自身具备较好的承载能力，回采造成的扰动 及超前支承压力作用没有破坏注浆加固后的整体结 构，工作面推进时三角区液压支架移架顺利，超前 预注浆加固取得了较好的效果。 图 3 3210 运输顺槽注浆钻孔布置示意图 4 结论 本文对破碎巷道围岩注浆加固作用机理进行分 析，将注浆加固作用机理概括为压力拱加固作用、 为锚杆索提供着力基础、提升支撑结构作用、强化 锚杆索支护 4 点，并设计 3210 工作面运输顺槽内 超前工作面 10 m，注浆钻孔深度 5 m、排距 3 m、 注浆压力为 4 MPa 的超前预注浆参数。进行现场应 用后，解决了工作面回采时三角区煤壁片帮及移架 困难的问题，超前预注浆取得了较好的效果。 【参考文献】 ［1］ 徐香庆，郭文喜 . 松软破碎围岩巷道注浆加固技 术应用研究 [J]. 煤炭工程，2012（07）29-31. ［2］ 宗义江，韩立军，韩贵雷 . 破裂岩体承压注浆加 固力学特性试验研究 [J]. 采矿与安全工程学报， 2013，30（04）483-488. ［3］ 邢敏 . 破碎回采巷道围岩注浆加固机理与工艺研 究 [D]. 太原太原理工大学，2015. ［4］ 杨坪，彭振斌，李奋强 . 巷道注浆加固作用机理 及计算模型研究 [J]. 矿冶工程，2005（01）3-5.