二次采動軟煤巷道變形規(guī)律及錨注加固技術(shù)

李飛鵬

(山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

大采高綜采具有回采工藝簡單，資源回收率高等優(yōu)點，目前已經(jīng)成為我國3.5 m～6 m左右厚煤層安全高效開采的主要技術(shù)手段。其回采巷道布置多采用沿空留巷的布置方式，即上一工作面的運輸(回風(fēng))順槽通過加強(qiáng)維護(hù)保留下來作為下一工作面回風(fēng)(運輸)順槽復(fù)用[1-2]。復(fù)用巷道通常服務(wù)年限約2～3 a，期間先后經(jīng)歷本工作面和下一工作面回采兩次采動影響，尤其是下一工作面回采期間，復(fù)用巷道受到二次采動和采空區(qū)應(yīng)力疊加影響，變形破壞嚴(yán)重，需反復(fù)維修，影響正常生產(chǎn)和采掘銜接[3-7]。

錨注加固漿液滲入巖體裂隙，既提高了破碎圍巖的完整性有效改善巖體的承載能力，又可封閉淺部圍巖、防止水分遷移以及風(fēng)化作用引發(fā)的圍巖崩解碎裂，與此同時，錨桿(索)通過預(yù)應(yīng)力擠壓將淺部圍巖和深部圍巖聯(lián)結(jié)成一個整體，很好的發(fā)揮淺部圍巖的承載能力，錨固體通過錨桿(索)的約束和抗剪作用，顯著提高圍巖的殘余強(qiáng)度和承載力，進(jìn)而維持巷道長期穩(wěn)定[8-13]。換言之，注漿為錨桿(索)提供有效的著力點和均勻受力環(huán)境，錨桿(索)提高錨固體的抗剪切能力，二者相互配合協(xié)調(diào)進(jìn)而發(fā)揮最佳支護(hù)加固效果[14-16]。目前煤礦相關(guān)工程技術(shù)人員對錨注加固的注漿加固時機(jī)、注漿材料選擇、注漿和錨固的實施順序以及錨桿(索)預(yù)緊力等方面的認(rèn)識存在不足甚至是誤解[17-18]。本文針對趙莊煤業(yè)13092復(fù)用巷道，在研究其變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，給出相應(yīng)的錨注加固參數(shù)，并通過現(xiàn)場實測證明其合理性和有效性，可為同類條件下復(fù)用巷道圍巖穩(wěn)定性控制提供參考，具有重要的工程應(yīng)用價值。

1 復(fù)用巷道變形規(guī)律

1.1 工程背景

趙莊煤業(yè)13092巷為1309工作面回風(fēng)順槽，全長約2 860 m，為1309和1310兩個工作面服務(wù)，1309工作面正在回采，1310工作面尚未回采。13091巷和13092巷間留設(shè)60 m寬的保護(hù)煤柱，保護(hù)煤柱下方提前掘進(jìn)1條底抽巷預(yù)抽瓦斯，以掩護(hù)13091巷和13092巷掘進(jìn)。巷道與工作面位置關(guān)系見圖1。

13092巷為矩形斷面，凈寬5 m，凈高4.5 m。頂板每排5根錨索，間距1.1 m，排距0.6 m，錨索長度8.4 m；兩幫每排5根錨桿，間距0.95 m，排距1.2 m，錨桿長度2.4 m，幫錨索每排2根，間距2 m，排距2.4 m，幫錨索長度5.4 m。

1.2 復(fù)用巷道變形破壞規(guī)律

為有效觀察13092復(fù)用巷道的變形破壞規(guī)律，在巷道內(nèi)布置5組表面位移測點，測點起始位置為切眼前方400 m，相鄰測點間隔50 m，觀測范圍為工作面前方100 m至工作面后方1 200 m。兩幫變形量、變形速度與工作面位置關(guān)系分別見圖2-a、圖2-b。

圖1 13092巷與工作面位置關(guān)系圖Fig.1 Position relationship of 13092 roadway and working face

2-a 兩幫變形量與工作面位置關(guān)系

2-b 兩幫變形速度與工作面位置關(guān)系圖2 兩幫變形曲線圖Fig.2 Deformation curves of two walls

由圖2-a可以看出，觀測范圍為50 m～-1 200 m，兩幫累計移近量1 203.5 mm，根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，煤柱一側(cè)變形量約900 mm～1 000 mm，超過兩幫總變形量的75%。由圖2-b可以看出，兩幫變形速度具有明顯的分區(qū)特征：

1)初始影響區(qū)(50 m～-200 m)，兩幫移近量量不足150 mm，變形速度平均約4mm/d。

2)劇烈影響區(qū)(-200 m～-600 m)，兩幫劇烈變形，移近量約679 mm，變形速度平均約12.1 mm/d，在-350 m～-450 m達(dá)到峰值，平均15.3 mm/d。

3)穩(wěn)定區(qū)(-600 m～)，兩幫變形速度逐漸下降，變形量388.5 mm，變形速度平均約4.6 mm/d。劇烈影響區(qū)和穩(wěn)定區(qū)變形量占兩幫總變形量的89.2%。

1.3 變形原因分析

1)高地應(yīng)力。煤層埋深超過750 m，最大水平主應(yīng)力為18.25 MPa，最小水平主應(yīng)力為9.15 MPa，垂直應(yīng)力為21.82 MPa。

2)煤質(zhì)酥軟。3#煤平均抗壓強(qiáng)度值為7.07 MPa，強(qiáng)度測試曲線波動范圍較大，反映出煤體松散、破碎，完整性差等問題。

3)煤體結(jié)構(gòu)松散破碎。13092巷掘巷前通過底抽巷預(yù)抽瓦斯，煤柱一側(cè)巷幫內(nèi)部空洞大、異常破碎。

4)工作面后方側(cè)向支承壓力長期影響。1309工作面采高4.6 m，大采高綜采一次采全高?；夭珊?，礦壓顯現(xiàn)劇烈，頂板上方30 m以下不穩(wěn)定巖層一次垮落。動載系數(shù)大，達(dá)到1.9。主關(guān)鍵層位于工作面上方65 m處，覆巖活動周期長，在工作面后方350 m～450 m才達(dá)到峰值。

5)幫部支護(hù)強(qiáng)度不足。幫錨索錨固力測試僅余5 MPa～8 MPa，巷幫整體鼓出，證明支護(hù)強(qiáng)度不足，無法阻止變形破壞向深部擴(kuò)展，錨索長度不足，無法有效錨固。其中3)、4)、5)是造成煤柱一側(cè)變形量極大的主要原因。

2 注漿加長錨固試驗

錨索在巷幫支護(hù)當(dāng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，必須提高錨索錨固力。根據(jù)現(xiàn)場測試，即使在采動影響區(qū)之外超前進(jìn)行幫錨索補強(qiáng)，錨固力也僅有8 MPa～15 MPa，錨索沒有起到應(yīng)有的支護(hù)作用。究其原因有以下幾點：1)煤體松散破碎，錨索錨固端無有效著力點；2)覆巖垮落高度達(dá)到30 m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出錨索的有效長度；3)錨索采用端頭錨固，錨固長度不夠，所提供的錨固力不足，需要加長錨固長度。

針對以上不足，現(xiàn)場進(jìn)行注漿加長錨固試驗，以提高錨索錨固力。

第一步：選擇錨索合理長度。在覆巖垮落穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行不同長度錨索的拉拔力測試，錨索采取端頭錨固方式，使用相同的錨固劑量，錨索長分別取5.4 m、6.4 m、7.4 m、8.4 m、9.4 m，錨固力測試結(jié)果分別為8 MPa、10 MPa、12 MPa、16 MPa、17 MPa，從中可以看出，隨錨索長度增加錨固力呈增大趨勢，其中錨索長度由7.4 m增加到8.4 m時錨固力增幅最大，達(dá)到4 MPa/m，由8.4 m增加到9.4 m時，增幅回落到2 MPa/m。然而，即使錨索長度增加到9.4時，錨固力也僅為17 MPa，遠(yuǎn)低于25 MPa的設(shè)計要求。顯然通過一味增加錨索長度來提高錨固力是不適合實際要求的，即單一通過加長錨索，無法使錨固力達(dá)到要求。

第二步：注漿深度的確定。綜合考慮現(xiàn)場各因素，取錨索長度為8.4 m。進(jìn)行三個不同注漿區(qū)域的錨索拉拔力對比測試。

1)未注漿區(qū)域，端頭錨固方式，如圖3所示。錨固力16 MPa，效果差，說明煤體內(nèi)部空洞、破碎嚴(yán)重，必須通過注漿改善煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 8.4 m錨索錨固劑端錨示意圖Fig.3 8.4 m anchor cable and anchoring agent

2)注漿區(qū)域，端頭錨固方式，錨固力約18 MPa～22 MPa，相比未注漿區(qū)域，錨固力提升作用較明顯，可見注漿后有效改善了煤巖體的孔裂隙結(jié)構(gòu)，錨固劑和煤巖體間的粘結(jié)力增強(qiáng)。

3)注漿區(qū)域，端頭錨固方式，將前述錨索孔孔徑由28 mm擴(kuò)孔到42 mm或50 mm，錨索(直徑22 mm)桿體與鉆孔之間的間隙采用雙液插管注漿，漿材選用晉煤技術(shù)研究院研制的聯(lián)邦加固1號，如圖4所示。測試結(jié)果顯示：擴(kuò)孔注漿長度0.5 m時，錨固力18 MPa～20 MPa；擴(kuò)孔注漿長度2 m時，錨固力20 MPa～25 MPa；擴(kuò)孔注漿長度4 m時，錨固力25 MPa～30 MPa；擴(kuò)孔注漿長度6 m時，錨固力26 MPa～30 MPa。可見4 m以后繼續(xù)增大擴(kuò)孔注漿長度對錨索錨固力的增加不再產(chǎn)生大的影響。

綜合考慮，現(xiàn)場實施采用錨索長度為8.4 m、先注漿、正常端錨、擴(kuò)孔注漿長度不小于4 m。

圖4 8.4 m錨索擴(kuò)孔段注漿加長錨固示意圖Fig.4 Grouting and lengthening anchoring of 8.4 m anchor cable expanding section

3 二次錨注加固機(jī)理及加固方案

3.1 二次錨注加固機(jī)理

允許圍巖塑性區(qū)有控制的適度擴(kuò)展，釋放部分圍巖集聚能，充分調(diào)動圍巖的自身承載能力，可有效降低維持圍巖塑性區(qū)極限平衡狀態(tài)所需要的支護(hù)抗力[19-20]。強(qiáng)調(diào)錨注時機(jī)、錨注工序、錨注方式的重要性，其關(guān)鍵在于以下幾個方面。

1)錨注時機(jī)與圍巖變形相協(xié)調(diào)。注漿與圍巖裂隙發(fā)育密切相關(guān)，1309工作未回采前，圍巖受巷道掘進(jìn)期的影響相對要小得多，基本保持原始孔裂隙狀態(tài)，注漿效果差；1309工作面回采之后，受礦山支承壓力影響，圍巖內(nèi)裂隙萌生、發(fā)育、擴(kuò)展，形成嚴(yán)重破壞，此時注漿量大，但原錨桿(索)錨固失效，圍巖破碎，完整性降低，即使注漿也無法完全恢復(fù)圍巖的承載能力，因此一次錨注最佳時機(jī)應(yīng)當(dāng)在1309工作面回采影響初期。同時錨索補強(qiáng)應(yīng)及早進(jìn)行，越滯后煤體裂隙越發(fā)育，錨固力越不足；在經(jīng)歷1309工作面采動的劇烈影響期之后，錨固區(qū)煤巖體內(nèi)部重新生成大量裂隙，應(yīng)當(dāng)及時進(jìn)行二次補漿。

2)錨注方式與圍巖變形相協(xié)調(diào)。一次錨注的目的是增強(qiáng)塑性破壞區(qū)圍巖的完整性，發(fā)揮圍巖的承載能力，通常塑性破壞區(qū)深度較小，采用淺孔注漿、錨索補強(qiáng)為主；受1309工作面回采的劇烈影響，圍巖裂隙向縱深發(fā)展，破壞深度加大，因此，二次加固時，需要進(jìn)行深孔注漿。

3)錨注工序與圍巖變形相協(xié)調(diào)。當(dāng)錨固力足夠時，應(yīng)先錨索補強(qiáng)再注漿；當(dāng)錨固力不足時，先注漿改善煤體結(jié)構(gòu)，然后，錨索補強(qiáng)立即進(jìn)行，及時起到圍巖控制作用。要求注漿材料應(yīng)具備強(qiáng)度快速增長、快速提高錨固力的特性。

根據(jù)13092巷變形規(guī)律發(fā)現(xiàn)，兩幫總變形量的89.2%集中在劇烈變形區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，劇烈變形區(qū)產(chǎn)生大變形的根本原因是一次支護(hù)強(qiáng)度不足，而穩(wěn)定區(qū)變形量較大的主要原因是圍巖破壞深度增大，一次支護(hù)錨桿索失效，圍巖喪失大部分承載能力，即使穩(wěn)定區(qū)頂板壓力降低，圍巖也無法有效承載，始終維持在相對較高的變形速度。因此，二次錨注加固的根本應(yīng)在于提高一次支護(hù)強(qiáng)度，由于錨索錨固力不足，錨注必須在初始影響區(qū)之前進(jìn)行，減小劇烈影響區(qū)巷道變形量和破壞深度，在穩(wěn)定區(qū)及時進(jìn)行二次注漿，提高殘余承載能力，使圍巖進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 一次超前錨注加固方案

13092煤巷錨固力不足，采取先注漿、后錨索補強(qiáng)的方式進(jìn)行支護(hù)加固。

1)鉆孔布置。鉆孔分4 m和8.5 m兩種孔深，錯層交叉布置，均垂直于煤幫鉆進(jìn)，見圖5。其中4 m注漿孔主要為封堵圍巖淺部裂隙，8.5 m注漿孔主要為強(qiáng)化錨索錨固段圍巖的膠結(jié)和完整性。

注漿材料選用晉煤技術(shù)研究院研制的聯(lián)邦加固1號雙液注漿材料，水灰比1：1.25時，初凝時間1 min～3 min，終凝時間5 min～10 min，2 h凝固強(qiáng)度10 MPa以上，1 d凝固強(qiáng)度16 MPa以上。

圖5 一次注漿鉆孔布置示意圖Fig.5 Borehole layout of one grouting

2)煤柱一側(cè)幫錨索補強(qiáng)。工作面一側(cè)考慮采煤機(jī)割煤影響，不進(jìn)行補強(qiáng)，只在煤柱一側(cè)進(jìn)行幫錨索補強(qiáng)。布置方式：①在原兩排錨索正中補打一排錨索，補打錨索每排3根，新補打的一排錨索之間使用1根鋼筋托梁連接在一起。②在原錨索兩根之間正中位置再補打1根錨索，最終形成“三三三三三”錨索布置形式，補強(qiáng)錨索長度8.4 m，如圖6所示。

實施順序：超前工作面50 m進(jìn)行，先進(jìn)行注漿，再進(jìn)行錨索補強(qiáng)，錨固力仍不足時配合注漿加長錨固法提高錨固力。

3.3 穩(wěn)定區(qū)二次注漿方案

二次注漿滯后13092工作面煤壁600 m進(jìn)行，注漿孔孔深12 m，孔徑42 mm，分上、下排兩排矩形布置，上排鉆孔位置距煤層頂板3 m，上仰5°；下排孔位置距煤層底板2 m，水平鉆進(jìn)。

注漿材料選用晉煤技術(shù)研究院研制的聯(lián)邦加固單液超細(xì)注漿材料，20 min～30 min內(nèi)材料可流動，流動時間長可確保漿液在裂隙中充分滲透擴(kuò)散，初凝時間60 min～80 min，終凝時間360 min～480 min，1 d強(qiáng)度可達(dá)16 MPa以上，3 d強(qiáng)度可達(dá)25 MPa以上，可滿足圍巖加固的需要。

圖6 幫錨索補強(qiáng)示意圖Fig.6 Anchor cable reinforcement

4 注漿效果分析

4.1 注漿量

注漿孔深4 m一次注漿平均單孔注入0.2 t漿材，孔深8 m一次注漿平均單孔注入0.5 t漿材；二次注漿平均單孔注入1 t漿材。

4.2 巷道變形

1)注漿加固區(qū)域與未注漿加固區(qū)域相比，呈現(xiàn)相似的規(guī)律，注漿加固區(qū)域也可分為初始影響區(qū)(50 m～-200 m)、劇烈影響區(qū)(-200 m～-600 m)和穩(wěn)定區(qū)(-600 m～)。

2)注漿區(qū)域巷道兩幫最終變形量598 mm，其中初始影響區(qū)變形量122 mm，占比20%；劇烈影響區(qū)變形量441 mm，占比74%，最大變形速度12 mm/d；穩(wěn)定區(qū)變形量35 mm，占比6%，如圖7所示。

3)與未錨注區(qū)域相比，兩幫總變形量減小50%，其中，初始影響區(qū)減小2%，劇烈影響區(qū)變形量減小20%，穩(wěn)定區(qū)減小28%?？梢钥闯?，一次錨注加固顯著減小了劇烈影響區(qū)內(nèi)圍巖變形，并對穩(wěn)定區(qū)圍巖變形起到了控制作用，穩(wěn)定區(qū)二次注漿后，變形速度快速減小，圍巖快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

7-a 兩幫變形量與工作面位置關(guān)系

7-b 兩幫變形速度與工作面位置關(guān)系圖7 注漿后兩幫變形曲線圖Fig.7 Deformation curves of two walls after grouting

5 結(jié)論

1)二次采動影響大采高煤巷變形可劃分為初始影響區(qū)(50 m～-200 m)、劇烈影響區(qū)(-200 m～-600 m)、穩(wěn)定區(qū)(-600 m～)，劇烈影響區(qū)和穩(wěn)定區(qū)變形量占兩幫總變形量的89.2%。

2)一次支護(hù)強(qiáng)度不足，劇烈影響區(qū)煤柱側(cè)破壞深度過大是造成圍巖變形量極大的根本原因。

3)采用注漿加長錨固提高錨固力試驗解決了錨索錨固力嚴(yán)重不足問題。

4)強(qiáng)調(diào)錨注時機(jī)、錨注工序、錨注方式與圍巖變形相協(xié)調(diào)，提出二次錨注加固方案，一次錨注加固在初始影響區(qū)之外進(jìn)行，目的是提高一次支護(hù)強(qiáng)度，減小劇烈影響區(qū)圍巖破壞深度，二次注漿加固在穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行，目的是提高殘余承載能力，使圍巖進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

5)采用二次錨注加固方案后，兩幫最終變形量598 mm，與未錨注方式相比，兩幫總變形量減小50%，其中，劇烈影響區(qū)和穩(wěn)定區(qū)減小48%。