摘要：前和煤矿3110回风顺槽掘进期间，受地质构造以及邻近采空区影响，巷道掘进至475 m处时，顶板及采空区侧巷帮破碎严重，采用传统注浆加固的效果相对较差，导致巷道成型效果差、掘进效率低、永久支护失效率高等。因此，文章在分析巷道围岩的破碎机理后，根据支护现状，对巷道破碎区采用双向增压加固装置进行了围岩支护。通过现场实际应用效果来看，支护优化后巷道围岩破碎现象得到了明显控制，顶板下沉量控制在0.17 m以下，巷道掘进速度提高至6.5 m/d，取得了显著应用成效。
关键词：掘进巷道,顶板破碎机理,支护优化,增压加固装置
0引言
目前，在我国采矿、井巷工程中常见破碎顶板岩层，给工程带来很大的安全隐患和施工困难，常采用顶板施工密集锚杆(索)支护或钻孔注浆支护进行保护。但是由于围岩破碎后，胶结稳定性降低，围岩承载层厚度减小，采用锚杆(索)支护时，杆体锚固端位于破碎围岩中，锚固剂锚固效果差，支护后在围岩应力作用下很容易出现支护失效现象[1]；注浆加固则通过在中间加设中空管，将浆液灌入钻孔中，其加固方式为单向加固，浆液在从下至上的状态下进入，先流入大裂隙中，小裂隙在进浆很少时就停阻，导致还未上压时小裂隙已经封闭，后期上压时已经初凝，造成浆液有效扩散范围减小[2]。本文以前和煤矿3110回风顺槽为研究对象，对巷道过破碎区支护进行合理优化，提出了一种双向增压加固破碎顶板装置，以解决现有技术中加固范围小、加固浆量少、钢锚索布置密度高、加固成本高等问题。
1概述
前和煤矿3110回风顺槽位于井田一采区，在井田东北方向，东侧为3111运输顺槽，南侧为采区东部三条大巷，西侧为3109采空区，北侧20 m为南阳煤矿矿界。
前和煤矿3110回风顺槽设计长度为665 m，沿3#煤层底板进行掘进。3#煤层节理、裂隙较发育，结构简单，煤质较好，煤层厚度为5.63 m，煤层倾角为2°~10°,硬度为2～3，大致呈南北走向，东高西低。该煤层为稳定可采煤层，一般含0～1层泥岩及炭质泥岩夹矸，偶尔含2层夹矸，夹矸厚5～20 cm，结构简单。煤层顶底板岩性如表1所示。
2巷道掘进现状及支护问题分析
2.1巷道掘进现状
3110回风顺槽掘进至475 m处时揭露一条F6正断层，断层落差为1.8 m，倾角为52°。巷道揭露断层后，由于受F6正断层以及邻近3109采空区影响，巷道掘进至475 m处时进入集中应力区内，受集中应力影响，巷道围岩出现应力显现现象，造成巷道围岩承载强度降低，承载层厚度减小，掘进空间形成人工卸压空间，应力卸压过程中对围岩产生不同程度的应力破坏[3]。其主要表现在顶板断裂、局部冒漏，原顶板永久支护失效严重，对应力区围岩支护效果差。
2.2原加强支护技术存在的问题
3110回风顺槽掘进至480 m处开始对破碎顶板采取单孔注浆加固，顶板每排布置5个注浆支护孔，孔深度为5.0 m，布置仰角为45°,钻孔施工后向钻孔内注入水泥-水玻璃混合浆液，水泥采用高强度硅酸盐水泥。具体注浆工序为：(1)采用锚索机进行钻孔施工，钻孔施工到位后，采用风管将钻孔内的煤屑排出；(2)钻孔施工后，在钻孔内依次安装注浆花管、注浆软管，并对孔口采用膨胀水泥进行封堵；(3)将注浆软管与专用注浆泵连接，开泵进行注浆施工，注浆压力为2.5 MPa，单孔注浆时间不得低于15 min。
巷道掘进前期，通过现场注浆效果观察发现，由于采用传统单孔注浆时，注浆材料流动速度慢，当注浆液流动至小裂隙时浆液凝固，后期加压时浆液无法继续渗透，导致注浆渗透半径不足1.5 m，无法大范围注浆加固。注浆后在后期掘进时仍存在大面积围岩破碎现象，未达到有效注浆效果。
3双向增压加固装置的应用
3.1双向增压加固装置结构组成
(1)双向增压加固破碎顶板装置主要由岩体稳固结构、浆液输送管、岩缝冲洗管和封堵层等部分组成，其中，岩体稳固结构、浆液输送管和岩缝冲洗管均布置在待加固破碎顶板的钻孔内部，如图1所示。
(2)浆液入口布置在浆液输送管的底端；在浆液输送管的外侧壁上设置浆液扩散孔，在浆液输送管的顶端设置增压结构；在岩缝冲洗管的底端设置冲洗液入口，在岩缝冲洗管的顶端设置冲洗液出口；封堵层设置在钻孔的孔口内部。
(3)岩缝冲洗管的冲洗液出口高度高于浆液输送管的顶部，此结构设计能使岩缝冲洗管对浆液输送管顶部的岩缝进行更好的冲洗，增大浆液扩散范围。
(4)浆液扩散孔沿着浆液输送管的外侧壁一周设置，增大扩散面积。封堵层高度为200～300 mm，封堵层为自凝树脂层，自凝树脂常温下能够固化，无需额外加热。当浆液到达增压结构时，压破增压结构，进行纯浆液加固，达到设计压力即可。
(5)浆液输送管设置在锚索一侧，岩缝冲洗管设置在锚索另一侧，可使钻孔的结构更加合理。通过锚索能够将破碎岩石与浆液形成一体结构，将锚索设置在钻孔的中部更便于岩石与浆液形成一体。
(6)浆液入口设置在钻孔外部，冲洗液入口设置在钻孔外部，岩体稳固结构的底端固定在钻孔外部，可便于浆液和冲洗液的进入。在浆液入口处设置浆水阀，在冲洗液入口处设置水气阀，通过浆水阀便于控制浆液的流量以及压浆操作的开始和停止，通过水气阀便于控制压水操作的开始或停止。
3.2装置工作原理
(1)当总体装置安装完成后，通过岩缝冲洗管进行压水，目的是冲洗岩体裂隙。安装好测试压力表，按不同时期进行科学压力设计，施工时按设计压力进行工序点的换接。
(2)单向加固。通过浆液输送管进行注浆，浆液从浆液扩散孔溢出，打开岩缝冲洗管的水气阀进行排气，此时增压结构未动。
(3)单向压水。浆液输送管出浆后，立即对岩缝冲洗管进行压水，停止浆液输送管压浆，压水量为钻孔容积的2/3，此时增压结构未动。
(4)双向加固。通过浆液输送管和岩缝冲洗管交替进行压浆和压水，交替量为双缸泵的单缸量，一方面，浆液在加固区可增加扩散量及区域，另一方面，因顶部清水间歇性冲洗可使增压结构及钻孔上部的裂隙表面不被封口。浆液输送管顶部的增压结构防止浆液从管顶溢出起到增压作用，因压力浓度原理，钻孔由下至上封闭岩体破碎区，直至目标区达到加固效果[4]。
(5)单向高压注浆。当加固区浆液超过浆液输送管的浆液扩散孔上部时，压力表增值明显，浆液可压破增压结构，此时停止压水，进行纯浆液加固，以达到设计压力[5]。
4装置优点及实际应用效果
4.1装置优点
双向增压加固破碎顶板装置，在钻孔的孔口内部加设浆液输送管、岩缝冲洗管和封堵层，利用浆液输送管与岩缝冲洗管进行交替注浆和岩缝冲洗，可根据实际加固情况选择性地进行单向注浆加固、单向压水岩缝冲洗、交替加固冲洗和单向高压注浆等方式。交替加固冲洗时，能够有效对破碎顶板进行加固、增大加固范围、减少钢锚索布置密度，既保证质量，又安全，且节约成本。
4.2实际应用效果分析
2022年5月14日，3110回风顺槽破碎区采用双向增压加固装置进行注浆施工，截至5月29日巷道已过应力破碎区。通过对破碎区注浆工艺进行优化并采用双向增压加固装置进行注浆，提高了注浆效率，通过现场查看取得了以下显著应用成效：
(1)巷道破碎区注浆后，每隔20 m对注浆区设置3个窥视孔，孔深为10 m，直径为90 mm。窥视孔施工后，采用窥视仪对钻孔孔壁围岩进行观察发现，注浆后煤岩体胶结稳定性好，表现在孔壁岩体光滑、无裂隙，采用双向增压加固装置使浆液渗透半径增加至3.2 m，注浆后巷道在后期掘进过程中未出现顶板大面积破碎以及两帮垮落现象。
(2)对注浆区顶板安装了一台YH-300型数字离层仪，对注浆区两帮安装一台位移监测仪。通过10 d现场观察发现，采用双向增压加固装置注浆后5 d内，顶板及两帮肩角煤柱出现小范围下沉，实测顶板下沉量为0.14 m，两帮收缩量为0.19 m，主要原因为注浆后浆液渗透至围岩裂隙内，提高了破碎区煤岩体内摩擦系数，围岩变形量减小，但是注浆体与变形围岩未完全实现耦合支护作用；在5～8 d内，围岩变形量逐渐减小，在9 d后围岩不再变形，实测顶板最大下沉量为0.17 m，两帮最大收敛量为0.24 m。巷道围岩变形现象得到了明显控制后，提高了巷道掘进速度，巷道后期掘进速度达6.5 m/d。
5结语
山西高平科兴前和煤业有限公司对3110回风顺槽应力区破碎顶板采取双向增压加固装置进行注浆施工，成功解决了传统单孔注浆时浆液渗透半径小、凝固速度快、加压效果差等技术难题，增加了注浆渗透半径，大大提高了注浆效果，取得了显著应用成效。
参考文献：
[1]刘滨.新城金矿破碎岩体巷道涨壳端锚中空注浆锚索支护试验[J].现代矿业,2024(1):61-63,68.
[2]李晓刚.超前注浆在巷道掘进过断层破碎带围岩控制中应用[J].能源与节能,2024(1):289-292.
[3]丁大明.注浆加固技术在矿井开拓巷道顶板漏水防治中的应用[J].山西冶金,2023(12):248-249.
[4]王进.新型注浆加固材料在巷道围岩变形控制中的应用[J].云南化工,2023(12):99-101.
[5]白伟.复合破碎顶板巷道围岩注浆加固技术实践[J].陕西煤炭,2023(6):167-170.
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