注漿加固技術(shù)在沿空運(yùn)輸巷中的應(yīng)用

張寶清

1 工程背景

王莊礦現(xiàn)主要開(kāi)采3#煤層，3#煤層位于二疊系山西組地層的中下部，均厚5.9 m，傾角2°～10°，直接頂為均厚3.5 m的黑色泥巖，基本頂為均厚6.7 m的砂巖，直接底為均厚2.6 m的泥巖，老底為均厚4.4 m的中砂巖?，F(xiàn)正在開(kāi)采3302工作面，3302工作面北邊為已開(kāi)采的3301工作面采空區(qū)。

在3301采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，留設(shè)18 m煤柱，3302運(yùn)巷采用沿空運(yùn)巷，沿著3#煤層底板掘進(jìn)，采用高為3.2 m、寬為4.5 m的矩形斷面，錨網(wǎng)梁的支護(hù)形式，頂板布置6根錨桿、3根錨索，錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為1250 mm×1600 mm；兩幫每幫布置5根錨桿，錨桿間排距為700 mm×800 mm；錨桿選用Φ22×2000 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨索選用Φ18.9 mm×8300 mm的預(yù)應(yīng)力錨索。

3302運(yùn)輸巷在沿空掘進(jìn)期間，受到3301采空區(qū)覆巖懸臂結(jié)構(gòu)的影響，巷道圍巖出現(xiàn)一定變形量，但圍巖總體保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)3302工作面回采時(shí)，受到回采動(dòng)壓影響，3302運(yùn)輸巷圍巖變形加劇，工作面前方巷道斷面收縮嚴(yán)重，圍巖破碎程度增加，頂?shù)装逡平孔疃嗫蛇_(dá)到700～800 mm，兩幫移近量最大可達(dá)到1100～1300 mm，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用，需要采取一定手段進(jìn)行維護(hù)。

2 3302運(yùn)輸巷變形破壞機(jī)理分析

根據(jù)3302工作面工程地質(zhì)條件及生產(chǎn)實(shí)際情況，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，模型長(zhǎng)182.5 m、寬90 m、高64 m，在模型上部邊界施加9.4 MPa的垂直應(yīng)力，模擬上覆巖層自重，固定模型左右邊界水平方向位移及模型底部豎直方向位移，采用莫爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，所選的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1表示。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

模型計(jì)算過(guò)程：建模后對(duì)煤巖體賦參數(shù)并計(jì)算至原巖應(yīng)力平衡，首先進(jìn)行3301工作面開(kāi)挖，計(jì)算平衡后進(jìn)行3302運(yùn)輸巷掘進(jìn)，再次計(jì)算平衡后進(jìn)行3302工作面回采，記錄回采過(guò)程中3302運(yùn)輸巷圍巖應(yīng)力變化情況，以分析3302工作面回采期間超前支承壓力對(duì)3302運(yùn)輸巷圍巖應(yīng)力分布及變形破壞的影響。

1）回采期間垂直應(yīng)力分布

將3302工作面前方不同位置巷道兩幫垂直應(yīng)力分布情況繪制成曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。由圖可知，回采期間在煤柱幫及工作面幫均出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象，且煤柱幫垂直應(yīng)力峰值均大于工作面幫，在工作面前方5 m、15 m、25 m、35 m處，巷道煤柱幫的垂直應(yīng)力峰值分別為32.2 MPa、33.4 MPa、32.8 MPa、32 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為3.12、3.23、3.19、3.1，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值基本出現(xiàn)在距離采空區(qū)9～10 m范圍；巷道工作面幫的垂直應(yīng)力 峰 值 分 別 為 6.6 MPa、28.4 MPa、22.1 MPa、19.3 MPa， 應(yīng) 力 集 中 系 數(shù) 分 0.65、2.67、2.21、1.78，工作面?zhèn)却怪睉?yīng)力峰值出現(xiàn)在距離巷道幫3～9 m范圍；不論是煤柱側(cè)還是工作面?zhèn)?，且隨著工作面的推進(jìn)，垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，距離工作面前方15 m兩幫的垂直應(yīng)力最大。通過(guò)上述分析可知，3302工作面回采超前動(dòng)壓影響范圍為工作面前方35 m區(qū)域內(nèi)，且工作面前方15 m垂直應(yīng)力值最大，工作面?zhèn)却怪睉?yīng)力峰值隨回采的推進(jìn)變化較大，出現(xiàn)大幅度的應(yīng)力變化，而煤柱側(cè)則受回采動(dòng)壓影響較小。

圖1 工作面前方不同位置巷道兩幫垂直應(yīng)力分布曲線(xiàn)

2）回采期間水平應(yīng)力分布

將3302工作面前方不同位置距巷道表面不同距離水平應(yīng)力分布情況繪制成如圖2所示曲線(xiàn)。工作面前方5 m、15 m、25 m、35 m處，巷道表面的水平應(yīng)力 峰 值 分 別 為 21.5 MPa、27.5 MPa、28.2 MPa、28.5 MPa， 應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.1、2.52、2.62、2.65，水平應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距巷道表面6～9 m處，當(dāng)距離工作面15 m以上時(shí)水平應(yīng)力基本保持不變，因而3302工作面回采對(duì)巷道產(chǎn)生動(dòng)壓影響范圍為工作面前方0～15 m，見(jiàn)圖2。

圖2 工作前方不同位置距巷道表面不同距離水平應(yīng)力分布曲線(xiàn)

3 3302運(yùn)輸巷注漿加固方案

針對(duì)巷道圍巖破碎，原支護(hù)系統(tǒng)失效的問(wèn)題，需要采取一定手段改善圍巖力學(xué)性能，通過(guò)注漿加固作用，將注漿材料滲透進(jìn)入破碎圍巖，將其膠結(jié)為一個(gè)整體，提高圍巖的承載能力，為錨桿提供著力基礎(chǔ)，發(fā)揮其支護(hù)效果，以達(dá)到控制圍巖穩(wěn)定性的目的。

1）高水材料參數(shù)確定

本次注漿材料選用高水材料，針對(duì)不同漿液水灰比（1.5∶1、1.8∶1、2.0∶1）和不同的煤體粒徑（＜5 mm、5～20 mm、＞20 mm）對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度的影響，進(jìn)行分析對(duì)比試驗(yàn)，得到如下結(jié)果：在煤體粒徑不變的情況下，固結(jié)試塊的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而減小，當(dāng)水灰比為1.5∶1時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度為2.4 MPa，而水灰比增大到2.0∶1時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度僅為1 MPa；同樣，在水灰比相同的情況系，當(dāng)膠結(jié)試件中粒徑較大煤體所占比例越高時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度越大，＞20 mm粒徑比例由19%增大到31%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度可由1.5 MPa增加到2.4 MPa。通過(guò)注漿加固可有效提升破碎圍巖的殘余強(qiáng)度。

2）注漿加固方案確定

針對(duì)破碎圍巖巷道提出三種不同注漿加固方案，通過(guò)數(shù)值模擬分析其圍巖控制效果，以確定最佳方案。方案①：對(duì)煤柱幫及頂板采用注漿管進(jìn)行淺部注漿；方案②：對(duì)頂板采用淺部注漿與注漿錨索相結(jié)合方式，對(duì)煤柱幫進(jìn)行注漿管淺部注漿；方案③：對(duì)頂板采用淺部注漿與注漿錨索相結(jié)合的方式，對(duì)煤柱幫進(jìn)行注漿錨索注漿。不同注漿方案圍巖變形量如表2所示。

表2 不同注漿方案圍巖變形量

由表2可知，采用方案①的注漿加固方案，圍巖變形得到一定的控制，但頂板下沉量及兩幫位移量均大于后兩個(gè)方案；方案②與方案③的區(qū)別在于煤柱幫由淺部注漿改為錨索注漿，頂板下沉量由428 mm進(jìn)一步減小到396 mm，煤柱幫位移量由416 mm減小到320 mm，說(shuō)明對(duì)煤柱幫采用錨索注漿不僅可以減小煤柱幫位移量，同時(shí)對(duì)巷道頂板控制起到一定促進(jìn)作用。

4 工程應(yīng)用

本次注漿材料選擇ZKD高水速凝材料，該材料具有凝固時(shí)間可調(diào)節(jié)、滲透性強(qiáng)、膠結(jié)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。高水速凝材料主要由甲料、乙料、加甲料、加乙料等構(gòu)成，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室結(jié)論及現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，選用1∶1.5的水灰比，淺部注漿孔注漿壓力為2 MPa，注漿錨索注漿壓力為5 MPa。距離巷道兩幫1500 mm沿頂板布置兩個(gè)淺部注漿孔，兩孔間距為1500 mm，均垂直于巷道頂板布置，鉆孔深度為2500 mm，直徑為42 mm；距離巷道兩幫布置兩個(gè)與水平方向呈70°的注漿錨索孔，巷道中央垂直布置一個(gè)注漿錨索孔，鉆孔深度為8000 mm，直徑為32 mm；頂板淺部注漿孔與錨索注漿孔呈“二三二”間隔布置；在煤柱幫距巷道頂板700 mm、底板1400mm與水平方向呈10°分別布置兩個(gè)注漿錨索孔，鉆孔深度為5000 mm，直徑為32 mm。整個(gè)鉆孔布置方案見(jiàn)圖3。

圖3 鉆孔布置方案

注漿加固方案施工后，對(duì)3302運(yùn)輸巷頂板下沉量及兩幫移近量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀(guān)測(cè)，繪制圖4中的巷道圍巖變形曲線(xiàn)。距離工作面50 m開(kāi)始，巷道圍巖開(kāi)始出現(xiàn)變形，通過(guò)注漿加固，巷道頂板下沉量控制在400 mm以?xún)?nèi)，兩幫移近量控制在700 mm以?xún)?nèi)，與未注漿加固相比較，巷道圍巖變形得到有效控制，滿(mǎn)足了礦井生產(chǎn)需求，見(jiàn)圖4。

圖4 巷道圍巖變形曲線(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)數(shù)值計(jì)算可知，回采期間在超前支承壓力影響下，沿空巷道頂板、兩幫塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，圍巖破碎程度增加，巷道表面出現(xiàn)裂隙，圍巖呈軟弱、松散、破碎狀態(tài)，頂板出現(xiàn)離層錯(cuò)動(dòng)，錨索支護(hù)失效，巷道無(wú)法保持穩(wěn)定。

2）針對(duì)巷道圍巖變形破壞機(jī)理和特征，采用頂板淺部注漿加固和錨索注漿、煤柱幫錨索注漿的巷道注漿加固方案，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，采用注漿加固后能顯著提高圍巖承載能力，控制巷道圍巖變形，巷道變形量滿(mǎn)足回采期間巷道使用要求。

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