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[摘 要]本文分析煤矿井下掘进巷道超前预注浆固化的基本原理、注浆施工方案和技术工艺，以及实施效果评价等。
[关键词]煤矿井下；软岩巷道；超前预注浆；围岩控制；顶板加固
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0005-01
1 引言
煤矿井下巷道掘进，在遇到比较松软的顶板时，往往都采用全锚网支护方式，遇破碎带时则采用金属棚式支护。有时巷道掘进接近陷落柱时，其煤层更加疏松，围岩非常软弱破碎。这时工作面就会漏顶和冒顶，事故频繁发生。顶板极难控制，造成了严重的安全隐患，影响正常的掘进进度。与此同时，有时还会造成煤质灰分的增加，影响煤炭质量。为保证顶板的完整性，这也是巷道正常掘进的关键所在，此时就很有必要采取超前预注浆加固技术，即所谓的超前支护技术。
2 超前预注浆固化的基本原理
在井下使用的超前预注浆固化技术，实质上它就是一种改善围岩结构，提高围岩整体性和自承能力、降低支护成本、提高支护效果的有效技术方法。充分利用漿液，把围岩的各种弱面进行充实、重新胶结起来，从而改善围岩的物理力学性能，达到提高围岩的整体稳定性作用。具体来讲：一是提高围岩裂隙面的变形刚度和抗剪强度。因注浆后有效提高了裂隙面的刚度和抗剪强度，从而提高了岩体的强度，并增强了围岩的自身承载能力。二是浆液固结体的网络骨架作用。由于浆液经挤压或渗透到煤体纵横交错的裂隙中固结后，会在围岩中形成网络骨架结构。而浆液固结体呈厚薄不一的片状或条状，在煤体中相互连通形成网络骨架。虽然形成网络骨架的高水速凝材料抗压强度比煤体小，但是高水速凝材料固结体具有良好的韧性和黏结性能。当外载增加时，其固化材料发生变形但不破坏，载荷主要由强度较高的煤体承担，这样巷道围岩的破坏条件就由原来的裂隙弱面强度条件向接近煤体强度条件进行转化，从而在巷道掘进前就使煤体的强度和整体性能得到提高，并保证了巷道开挖后不发生漏顶、冒顶事故出现。
3 注浆施工方案和技术工艺
1）注浆参数的选择。巷道注浆材料可以选用高水速凝材料。技术参数的控制如下：①水灰比确定。根据高水速凝材料浆液的流动力学特性和固结体的力学参数，再综合考虑井下施工条件和材料消耗等因素，高水速凝材料浆液的水灰比选为1.6：1～1.8：1较为合适。②注浆压力控制。一般起始压力可以控制在0.8～1.0MPa之间；浅孔注浆压力控制在2.0～2.5MPa之间；深孔注浆压力控制在2.5～3.0MPa之间。③注浆孔的布置（参数选择见表1，布置示意见图1）。在工作面前方布置3排3列眼，按不同的设计角度向顶板上方倾斜，这样注浆后能形成不同的控制范围，最长控制范围约10m，浆液扩散半径约1.5m。其钻孔直径为Φ65mm；底排眼距巷道底板为1700mm，中间眼距底眼600mm，顶眼以巷道顶板为准钻进，与中间眼排距最大不超过900mm；在第1列1#、6#、7#眼距左帮为800mm，第2列2#、5#、8#眼距左右两列各1000mm，第3列3#、4#、9#眼距右帮800mm；施工过程中每掘进1Om要布置一组注浆眼。
2）施工机具设备选用。注浆设备：JB-300L型搅拌桶，ZBSB-52～8/10.15型煤矿用双液注浆泵，注浆管采用Φ20mm的铝塑管制作，管长按孔深的2/3截取即可；打眼设备：如ZYG-150型全液压钻机即可。
3）注浆施工工艺。①钻孔：按照设计要求确定注浆孔布置参数，然后打注浆孔。②制浆：必须严格按水灰比供水上料，要先放水后加高水速凝材料，搅拌要均匀，待10-15min后再注浆。③试泵：在打注浆孔的同时，要用清水试注浆泵及注浆管路、搅拌桶，以确保注浆系统能够可靠运行。④注浆：待封孔20min后再注浆。注浆量原则上以注到不进浆为止，当少部分浆液从裂隙中渗透出来时，不停止注浆，渗透较多时，可暂停3～5min再注，尽可能向煤体中多注入浆液，确保注浆效果。注浆时要不停搅拌，要将吸浆管分别插入两浆液桶内（甲料、乙料）。注浆过程中还不得更换甲料、乙料的吸浆管，还不能将甲料加入乙料搅拌桶或将乙料加入甲料搅拌桶内。⑤封孔：可用棉纱搅拌少量水泥封孔，并进行捣实压紧，其封孔长度为1.4m为宜。⑥清洗：结束注浆或暂停时间超过15min（如封孔结束）期间，都要冲洗注浆泵和管路，直到管路末端流出清水不浑浊为止，以保障下次能顺利使用。
4 实施效果评价
高水速凝材料在掘进巷道超前预注浆加固中应用，特别是在陷落柱周边软弱煤层中应用，能使松散破碎顶煤得到充填黏结，掘进到此位置时能有效控制煤层顶板漏顶、冒顶事故，且巷道围岩整体稳定性还好，基本能形成所需的设计断面。运用该技术消除了顶部架设高木垛和冒落区局部瓦斯积聚的安全隐患，使巷不出现离层、漏顶和冒顶事故，注浆效果非常好，有效保障了掘进巷道的施工安全，同时又经济可行。
5 结束语
1）使用超前预注浆加固技术，可使陷落柱周边巷道围岩疏松破碎、顶板漏顶、冒顶等事故得到有效控制，巷道围岩整体稳定性也好，这为工作面快速掘进创造了有利的条件和良好安全环境。
2）注浆加固技术是一种积极主动的围岩控制方式，它可有效增加围岩的强度，提高煤体自身承载能力，并减小巷道变形量。该技术特别适用于破碎围岩巷道应用，但不能完全代替巷道超前支护，所以巷道正常掘进的超前支护还必须采用其他措施辅助进行。
参考文献
[1] 柏建彪，侯朝炯，黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23（10）：3475-3479.
[2] 柏建彪，侯朝炯.空巷顶板稳定性原理及支护技术研究[J].煤炭学报，2005，30（1）：8-11.
[3] 樊少武，蔡美峰，张万超.高冒采空区上方巷道注浆和锚注加固实践[J].煤炭科学技术，2005，33（7）：20-22.
[4] 于新锋，柏建彪.张集矿综采工作面破碎煤壁注浆加固技术研究[J].煤炭科学技术，2006，34（2）：69-71.
[5] 曹呆军.超前预注浆加固技术在软煤巷道掘进中的应用[J].中州煤炭，2009，1：52-53.
[6] 盛明利.掘进中遇断层时安全施工的探讨[J].工会博览，2010，08：96.
[7] 李晓勇.开拓巷道掘进速度的影响因素及对策[J].中国新技术、新产品，2012，02：48-49.
[8] 张文义，孔凡军，王乐义.掘进工作面过陷落柱破碎围岩控制探讨及应用[J].山东煤炭科技，2012，5：161-163.
[关键词]煤矿井下；软岩巷道；超前预注浆；围岩控制；顶板加固
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0005-01
1 引言
煤矿井下巷道掘进，在遇到比较松软的顶板时，往往都采用全锚网支护方式，遇破碎带时则采用金属棚式支护。有时巷道掘进接近陷落柱时，其煤层更加疏松，围岩非常软弱破碎。这时工作面就会漏顶和冒顶，事故频繁发生。顶板极难控制，造成了严重的安全隐患，影响正常的掘进进度。与此同时，有时还会造成煤质灰分的增加，影响煤炭质量。为保证顶板的完整性，这也是巷道正常掘进的关键所在，此时就很有必要采取超前预注浆加固技术，即所谓的超前支护技术。
2 超前预注浆固化的基本原理
在井下使用的超前预注浆固化技术，实质上它就是一种改善围岩结构，提高围岩整体性和自承能力、降低支护成本、提高支护效果的有效技术方法。充分利用漿液，把围岩的各种弱面进行充实、重新胶结起来，从而改善围岩的物理力学性能，达到提高围岩的整体稳定性作用。具体来讲：一是提高围岩裂隙面的变形刚度和抗剪强度。因注浆后有效提高了裂隙面的刚度和抗剪强度，从而提高了岩体的强度，并增强了围岩的自身承载能力。二是浆液固结体的网络骨架作用。由于浆液经挤压或渗透到煤体纵横交错的裂隙中固结后，会在围岩中形成网络骨架结构。而浆液固结体呈厚薄不一的片状或条状，在煤体中相互连通形成网络骨架。虽然形成网络骨架的高水速凝材料抗压强度比煤体小，但是高水速凝材料固结体具有良好的韧性和黏结性能。当外载增加时，其固化材料发生变形但不破坏，载荷主要由强度较高的煤体承担，这样巷道围岩的破坏条件就由原来的裂隙弱面强度条件向接近煤体强度条件进行转化，从而在巷道掘进前就使煤体的强度和整体性能得到提高，并保证了巷道开挖后不发生漏顶、冒顶事故出现。
3 注浆施工方案和技术工艺
1）注浆参数的选择。巷道注浆材料可以选用高水速凝材料。技术参数的控制如下：①水灰比确定。根据高水速凝材料浆液的流动力学特性和固结体的力学参数，再综合考虑井下施工条件和材料消耗等因素，高水速凝材料浆液的水灰比选为1.6：1～1.8：1较为合适。②注浆压力控制。一般起始压力可以控制在0.8～1.0MPa之间；浅孔注浆压力控制在2.0～2.5MPa之间；深孔注浆压力控制在2.5～3.0MPa之间。③注浆孔的布置（参数选择见表1，布置示意见图1）。在工作面前方布置3排3列眼，按不同的设计角度向顶板上方倾斜，这样注浆后能形成不同的控制范围，最长控制范围约10m，浆液扩散半径约1.5m。其钻孔直径为Φ65mm；底排眼距巷道底板为1700mm，中间眼距底眼600mm，顶眼以巷道顶板为准钻进，与中间眼排距最大不超过900mm；在第1列1#、6#、7#眼距左帮为800mm，第2列2#、5#、8#眼距左右两列各1000mm，第3列3#、4#、9#眼距右帮800mm；施工过程中每掘进1Om要布置一组注浆眼。
2）施工机具设备选用。注浆设备：JB-300L型搅拌桶，ZBSB-52～8/10.15型煤矿用双液注浆泵，注浆管采用Φ20mm的铝塑管制作，管长按孔深的2/3截取即可；打眼设备：如ZYG-150型全液压钻机即可。
3）注浆施工工艺。①钻孔：按照设计要求确定注浆孔布置参数，然后打注浆孔。②制浆：必须严格按水灰比供水上料，要先放水后加高水速凝材料，搅拌要均匀，待10-15min后再注浆。③试泵：在打注浆孔的同时，要用清水试注浆泵及注浆管路、搅拌桶，以确保注浆系统能够可靠运行。④注浆：待封孔20min后再注浆。注浆量原则上以注到不进浆为止，当少部分浆液从裂隙中渗透出来时，不停止注浆，渗透较多时，可暂停3～5min再注，尽可能向煤体中多注入浆液，确保注浆效果。注浆时要不停搅拌，要将吸浆管分别插入两浆液桶内（甲料、乙料）。注浆过程中还不得更换甲料、乙料的吸浆管，还不能将甲料加入乙料搅拌桶或将乙料加入甲料搅拌桶内。⑤封孔：可用棉纱搅拌少量水泥封孔，并进行捣实压紧，其封孔长度为1.4m为宜。⑥清洗：结束注浆或暂停时间超过15min（如封孔结束）期间，都要冲洗注浆泵和管路，直到管路末端流出清水不浑浊为止，以保障下次能顺利使用。
4 实施效果评价
高水速凝材料在掘进巷道超前预注浆加固中应用，特别是在陷落柱周边软弱煤层中应用，能使松散破碎顶煤得到充填黏结，掘进到此位置时能有效控制煤层顶板漏顶、冒顶事故，且巷道围岩整体稳定性还好，基本能形成所需的设计断面。运用该技术消除了顶部架设高木垛和冒落区局部瓦斯积聚的安全隐患，使巷不出现离层、漏顶和冒顶事故，注浆效果非常好，有效保障了掘进巷道的施工安全，同时又经济可行。
5 结束语
1）使用超前预注浆加固技术，可使陷落柱周边巷道围岩疏松破碎、顶板漏顶、冒顶等事故得到有效控制，巷道围岩整体稳定性也好，这为工作面快速掘进创造了有利的条件和良好安全环境。
2）注浆加固技术是一种积极主动的围岩控制方式，它可有效增加围岩的强度，提高煤体自身承载能力，并减小巷道变形量。该技术特别适用于破碎围岩巷道应用，但不能完全代替巷道超前支护，所以巷道正常掘进的超前支护还必须采用其他措施辅助进行。
参考文献
[1] 柏建彪，侯朝炯，黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23（10）：3475-3479.
[2] 柏建彪，侯朝炯.空巷顶板稳定性原理及支护技术研究[J].煤炭学报，2005，30（1）：8-11.
[3] 樊少武，蔡美峰，张万超.高冒采空区上方巷道注浆和锚注加固实践[J].煤炭科学技术，2005，33（7）：20-22.
[4] 于新锋，柏建彪.张集矿综采工作面破碎煤壁注浆加固技术研究[J].煤炭科学技术，2006，34（2）：69-71.
[5] 曹呆军.超前预注浆加固技术在软煤巷道掘进中的应用[J].中州煤炭，2009，1：52-53.
[6] 盛明利.掘进中遇断层时安全施工的探讨[J].工会博览，2010，08：96.
[7] 李晓勇.开拓巷道掘进速度的影响因素及对策[J].中国新技术、新产品，2012，02：48-49.
[8] 张文义，孔凡军，王乐义.掘进工作面过陷落柱破碎围岩控制探讨及应用[J].山东煤炭科技，2012，5：161-163.