深井巷道过地质异常带注浆加固技术
张鹏冲，于宪阳，张志霄，杨海阁*
作者简介：张鹏冲，（1987-），男，在读研究生，主要从事采矿工程及巷道围岩控制的研究. E-mail:
zpc123_2006@126.com
（中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221008）
5 摘要：陷落柱的存在对煤矿的安全生产构成了一定的威胁，为了确保巷道及工作面顺利经过
陷落柱地质异常带，本文以13216 工作面所处的特殊地质条件为背景, 介绍了如何对陷落柱
进行注浆加固处理，针对性的提出了注浆加固方案，同时对注浆加固技术的机理进行了分析，
并得出了具体的注浆加固参数，对相同条件的深井巷道具有实际的指导意义。
关键词：注浆加固；陷落柱；加固参数；注浆机理
 25 0 引言
煤矿巷道在经过地质异常带时应采取相应的加固措施，而陷落柱作为一种导水构造，其
在采动等外部因素的影响下，往往使巷道泥化变形严重，同时使采矿活动受到水害威胁，严
重影响着煤矿的安全生产[1]。注浆加固技术由于其在矿井防水及围岩加固方面的显著效果，
在采矿工程领域应用已有一个多世纪的历史[2]，特别是在巷道经过地质构造带时，注浆加固
30 可以增强围岩的整体性和围岩强度，还可以有效的起到堵水作用。本文结合谢桥矿东二采区
13216 工作面所处的特殊地质条件，分析了注浆加固的原理，提出了合理的注浆加固技术，
注浆效果显著，保证了煤矿的安全生产。
1 工作面概况
13216 工作面为东二B 组采区6 煤层二阶段，回风顺槽煤层底板标高-462.0～-489.9m，
35 运输顺槽煤层底板标高-497.9～-529.8m。西起东二B 组回风石门，东至矿井东边界F22 断
层。工作面可采走向长1481.5m，倾斜长157.6m，煤层倾角10°～17°，平均倾角13.0°，
平均煤厚2.67m。
1#陷落柱位于13216 工作面的南边，呈上小下大不规则的圆锥状，陷落柱在6 煤层的平
面形态为近似椭圆形，如图1 所示，长轴近SN 向，直径240m，短轴近EW 向，直径156m，
40 东边界距切眼896m，西边界距切眼1059m，陷落柱内的煤岩层位整体下降[3]， 13216 运输
顺槽距1#陷落柱北边缘最近平面距离为20m，工作面回采受1#陷落柱影响，为保证13216
 工作面安全回采过1#陷落柱影响区，特采取了注浆加固措施。
图1 13216 工作面及陷落柱示意图
Figure 1 diagrammatic sketch of the 13216 coal face 45 and collapse columns
2 注浆加固作用机理
注浆加固就是将流动的浆液注入到围岩中，利用浆液的凝结结石作用来充填和加固受注
围岩，从岩石力学原理和岩体破坏机制的角度分析，其对岩体的加固和封闭作用机理主要有
50 以下几个方面：[4-7]
1）浆液在受到外界的各种压力作用下，被挤压到岩体裂隙中，反应固结，固结体在岩
体内组成了一系列的网络骨架结构，同时进一步密实了岩体，大大增加了岩体的弹性模量、
内聚力、抗拉强度、抗剪强度和残余强度等，提高了围岩体的整体性和承载能力。
2）通过注浆可以提高裂隙的内聚力和内摩擦角，改善弱面的力学性质。注入的浆液对
55 裂隙面具有很高的黏结力，可以加大破裂面的静摩擦和滑动摩擦阻力，阻止了扩容破坏的进
一步发展，有效地提高了岩体强度，岩体加固前后的莫尔强度包络线如图2 所示，曲线1
和2 所围区域为注浆后岩体的抗剪强度提高量。
1
2
1 为注浆前莫尔强度包络线，2 为注浆后莫尔强度包络线
60 图2 加固前后莫尔强度包络线
Figure 2 mole intensity envelope curve before and after reinforcement
3）注浆过程中浆液在岩体结构面处充填加固，并封闭了围岩裂隙，形成有效的隔绝层，
减小了岩体的孔隙比，同时阻止水和空气浸入围岩，避免围岩的水害和风化，保持了岩体的
σ3 σ1 σ1’ σ
 65 力学性质，从而实现巷道的长期稳定。
4）由断裂力学可知，当岩体内有裂隙和其他弱面存在时，在受力过程中会形成强烈的
应力集中，应力集中的程度（系数）K 取决于裂隙端部半径、裂隙长度及岩体尺寸等，当
应力集中到一定程度时，就会在裂缝处产生裂隙扩展，形成更为严重的破坏。围岩中裂隙附
近的岩体处于二向应力状态，当浆液充满裂隙并压密后，由于浆液对裂隙面的黏结作用，使
70 得裂隙面周围岩体变为三向应力状态，改善了岩体的内部结构，应力集中系数大大减小，注
浆起到了转变裂隙破裂机制和充填压密的作用。
3 注浆加固技术
3.1 注浆加固范围
为防止1#陷落柱活化，确保工作面顺利通过1#陷落柱影响区，经过对1#陷落柱的具体
75 结构特征的全面探测，确定从运输顺槽距离切眼863m 到1057m 共计194m 范围内，对运输
顺槽下帮底板进行注浆加固，以增加岩体结构的致密性及抗压强度。
3.2 注浆加固段巷道支护参数
注浆加固段巷道支护形式为架棚支护，巷道断面为直墙半圆拱，断面尺寸：净宽×中高
=5000×3700mm，棚距为700mm，腿窝深度200mm，梁腿搭接长度500mm，卡缆间距300mm，
80 卡缆螺栓扭矩200N·m。每棚设4 道拉杆，拉杆长L=1680mm，顶部设两道分别位于棚梁中
心左右各1.2m 处，帮部设两道拉杆分别位于拱基线处。顶、帮采用Ф6.5mm 钢筋加工成的
500×900mm 的钢筋笆片帮背顶、帮，笆片间用14#铁丝扎牢，每200mm 一道；巷道方向笆
片之间搭接200mm，帮部方向笆片之间靠紧对齐，钢筋笆片的铺设必须横平竖直。其具体
的支护参数见图3。
单位：mm
拉条
85
图3 注浆段巷道支护断面图
Figure 3 diagram of roadway support cross-section in grouting section
3.3 注浆钻孔的布置
90 根据物探成果测定可知陷落柱北边界与13216 工作面运输顺槽最近平距20m，运输顺槽
距离切眼863m 到1057m 范围内，为本次注浆加固区段，总长194m。根据《采矿工程设计
手册》提供的参数及经验数据，岩层中浆液的有效扩散半径为6～8m，本次钻孔浆液扩散半
 径为7m，注浆钻孔间距为10m，方位 191.5º（即垂直运输顺槽，方向向南），6 煤与5 煤
之间砂岩厚8.2m，终孔位于6 煤底板6m 砂岩中，加固宽度为24m，段高为14m，共计19
95 个孔，孔径127mm，钻孔参数见表1。注浆钻孔平面布置图和剖面图分别如图4 和图5 所示。
194m
图4 注浆加固钻孔平面布置图
Figure4 grout-reinforce hole layout plan
1#陷落柱
13216运输顺槽
1～19#
20m
煤
7m
14m
3m
24m
加固区
煤
6m
100 图5 注浆加固钻孔剖面布置图
Figure 5 grout-reinforce hole layout profile
表1 钻孔参数表
Table1 parameters of drilling holes
钻孔地点 孔号 开孔位置 倾角(°) 方位（°） 终孔深度（m）
13216 工作面运输顺槽1-19#
巷道
下帮底板
-30
191.5
（垂直巷道下帮）
20
105
1#陷落柱及影响带范围内仅局部含水，且富水性相对较弱。为确保施工安全，坚持“预
测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则，本次注浆钻孔是在13216 运输顺槽陷落
柱验证孔施工后，确定陷落柱不含水的情况下，施工注浆钻孔。钻孔开孔Φ127mm，下置长
不少于10m 的Φ108mm 孔口管，孔口管外焊接法兰盘，终孔孔径Φ73mm。钻孔钻进10m
110 后下Φ73mm 注浆孔口管10m，孔口外露100mm，外壁固定后，进行耐压试验，孔口管承
压标准不小于8Mpa，试压合格后进行注浆。钻孔结构示意图见图3。
 ф73mm
巷底
至钻机
注浆孔口管
ф91mm
ф73mm
10m
20m
图6 注浆钻孔剖面示意图
Figure 6 diagrammatic sketch of Grout hole's profile
115
3.4 注浆材料的选择
注浆材料的性质对注浆后的效果起着决定性的作用，注浆材料的选择要全面考虑工程地
质条件，根据具体的施工对象和目的，采取不同的注浆方案。注浆材料一般要具有良好的可
注性，浆液稳定且凝固时间可控，固结体早期强度高、透水性低。目前常用的注浆材料有单
120 液水泥、水泥-水玻璃和化学浆液等。单液水泥来源广，价格低，固结体强度高，而水泥—
水玻璃注浆材料具有结石率高、可注性好、凝结时间短且可控等优点，两者均被广泛应用。
本次注浆采用单液水泥浆和水泥—水玻璃双液浆两种，水泥选用新鲜的P.O.32.5 普通硅
酸盐水泥，浓度1.5:1-0.75:1，可根据每孔注浆前压水试验情况进行调整，水玻璃选用35～
45Beˊ，模数为2.8～3.2。
125 3.5 注浆压力
注浆压力是提供浆液在岩体裂隙中扩散、流动、渗透、挤压、劈裂等作用的动力，注浆
压力显著影响着浆液的扩散效果[7]，实践表明，注浆压力愈大，浆液扩散范围愈大，结石体
强度愈高，但同时有可能使裂隙进一步扩展，对于局部注浆加固工程，过大的压力还可能导
致浆液的扩散，不利于浆液的有效利用。13216 工作面运输顺槽在陷落柱影响区内的最低标
130 高为-528m，矿井奥灰静水位标高为+10m，水压P=5.38Mpa，由于本次注浆主要以加固为主，
所以注浆压力取6Mpa。
3.6 注浆量
本次注浆加固共设计注浆孔19 个，钻孔总钻进量380m， 注浆孔口管长度190m。注浆
量按下式计算：
135 Q = V×α×n
=24×14×194×5%×1.3
=4237m³
其中：V—加固段体积，m³；
n—裂隙率，%；对于岩层：n=1%～5%，本次选取5%；
140 α—浆液损失系数，一般取1.1～1.5；本次取1.3。
综上所示，总注浆量为4237m³。浆液水灰比平均按1:1 计算，则共需水泥：4237×
3/4=3177.8t。水玻璃按注入水泥量的3%计算，则共需水玻璃：3177.8×3%=95.3t。
 4 注浆加固施工工艺及技术要求
4.1 施工工艺流程及钻机、注浆泵型号
145 注浆施工的主要工艺流程如下：
图7 注浆工艺流程图
Figure 7 flow chart of grouting
150 钻机使用ZDY-3200S 型号，注浆泵使用2TG2-60/210 型号。钻孔施工顺序由东向西（1#～
19#），钻进、注浆平行施工时，距离不小于20m。
4.2 钻进施工
全孔采用清水无岩芯钻进，钻孔返水用潜水泵沿排水管路排出。施工中要严格按照设计
的钻孔位置、方位、倾角稳钻机，钻进过程中钻机不得晃动，为保证注浆质量，钻孔必须降
155 低偏斜率，钻头后至少接一根导向钻杆，钻进过程中严禁猛增加或减少压力。
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