高應(yīng)力動壓巷道注漿加固技術(shù)研究

宋偉東

（山西晉煤集團澤州天安昌都煤業(yè)有限公司生產(chǎn)技術(shù)部 ，山西 晉城 048006）

井巷施工時，高應(yīng)力、動壓影響是巷道變形與破壞的根本原因。巷道圍巖由于高應(yīng)力或強烈采動影響，圍巖中穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞，自穩(wěn)定性變差。在高應(yīng)力環(huán)境中圍巖互相擠壓、滑移，煤巖體破碎，產(chǎn)生塑性形變，圍巖頂?shù)?、兩邊移進量大，巷道變形量變大[1]。單一的加固手段對破碎圍巖很難起到預期加固效果，通過優(yōu)化巷道支護形式與參數(shù)設(shè)計配合注漿聯(lián)合支護，是保持巷道圍巖穩(wěn)定性與安全性的主要手段。高壓注漿能夠重新組合破碎圍巖，破碎圍巖承載能力提高，有利于錨桿錨索加固時力的傳遞，頂幫強力錨索加固后最大限度地發(fā)揮支護材料與和注漿后圍巖體的相互作用，大幅提高巷道加固質(zhì)量和效果[2]。本文結(jié)合受回采動壓影響后輔運大巷層噴漿層大范圍脫落，局部區(qū)域錨桿、錨索破斷的變形、破壞特征，提出采用高壓注漿配合注漿強力錨索支護對巷道進行加固，確保了破碎巷道圍巖穩(wěn)定性。高壓注漿配合強力錨索支護聯(lián)合加固能夠改善巷道圍巖性質(zhì)，提高圍巖強度，確保加固后的巷道圍巖穩(wěn)定，減小巷修工程量，有效延長巷道使用時間。

1 工程概況

胡底煤業(yè)開拓巷道布置有5條巖巷，位于3#煤上方20～40m，巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖主，層理發(fā)育，埋深約720m，凈煤柱為23～25m。目前1301首采面已經(jīng)進入末采階段，停采線距與最近的輔助進風大巷之間凈煤柱約為89m，五條大巷石門受動壓影響變形大，其中輔運大巷變形最為嚴重（圖1中紅色陰影區(qū)域部分）。受高應(yīng)力影響，圍巖長期處于流變狀態(tài)，達不到二次穩(wěn)定[3]，輔運大巷道兩幫最大水平移近量超過1200mm，頂?shù)装迨諗孔冃纬^2000mm。五條大巷均已經(jīng)進行過一次巷修，巷修主要采用全錨索加固技術(shù)，起到一定作用，但后期效果不明顯，目前輔運大巷混凝土噴層大范圍脫落，局部區(qū)域錨桿、錨索破斷，亟待采取更為有效的解決措施。

2 綜合治理方案的確定

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)、地質(zhì)條件調(diào)查和圍巖結(jié)構(gòu)詳查，開拓大巷埋深、地質(zhì)條件、及采動影響，是導致巷道剛掘進不久便產(chǎn)生變形破壞的直接原因。輔運大巷圍巖壓力大、結(jié)構(gòu)破碎松軟，單一的加固方法不能有效控制其長期蠕變及進一步破壞，應(yīng)先采取注漿手段確保破碎圍巖連續(xù)穩(wěn)定，再加大支護強度[4]。

2.1 地應(yīng)力測試分析

地質(zhì)力學參數(shù)測試結(jié)果：最大水平主應(yīng)力σH=19.28MPa，最小水平主應(yīng)力σh=10.4MPa，垂直應(yīng)力σV=14.67MPa。水平主應(yīng)力主要影響巷道頂?shù)装寮皟蓭停珜數(shù)椎挠绊懜?，垂直?yīng)力主要影響巷道的兩幫。在支護設(shè)計和施工的過程中應(yīng)重視支護強度和剛度，特別是巷道兩幫支護[5]。

2.2 輔運大巷窺視分析

輔運大巷共掘進600m，在變形嚴重區(qū)域4#橫川附近布置了6個鉆孔進行窺視（頂孔4個，幫孔2個），孔深均為10000mm。頂孔距輔運大巷4#橫川距離分別5m、10m、15m、20m；幫孔距4#橫川兩側(cè)均為5m。窺視結(jié)果如圖1所示。

圖1 4#橫川10m處附近頂板頂板窺視圖

由窺視結(jié)果可知，輔運大巷淺部圍巖中煤線較多，裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性較差。受動壓影響后變電所深部圍巖整體仍較完整，局部區(qū)域淺部存在裂隙發(fā)育，其余區(qū)域主要為微裂隙發(fā)育。4#橫川10m處附近頂板3.6m范圍圍巖軟弱，裂隙發(fā)育，圍巖完整性較差，頂板3.6-5m范圍內(nèi)裂隙微發(fā)育，頂板5m范圍內(nèi)完整性較好。頂板鉆孔窺視結(jié)果基本一致，裂隙發(fā)育基本出現(xiàn)在淺部圍巖區(qū)域，裂隙微發(fā)育出現(xiàn)在3～5.5m范圍內(nèi)，5.5m以外的深部圍巖完整性較好。

參考輔運大巷原有支護強度，結(jié)合大量的工程實踐，在確保動壓巷道圍巖穩(wěn)定，盡量減小工程量的前提下，確定采用高壓注漿配合注漿強力錨索支護案。

3 輔運大巷圍巖變形控制綜合治理方案

3.1 注漿材料、支護材料選取

為確保嚴格控制圍巖的變形，要求注漿結(jié)石體應(yīng)具有較高強度和抗變形能力強。根據(jù)注漿材料特點，結(jié)合現(xiàn)場圍巖條件，確定采用水泥基無機注漿材料。

無機注漿材料使用聯(lián)邦加固Ⅰ號注漿材料，有單液、雙液注漿材料兩種。雙液漿兩種漿液在混合前，6h時內(nèi)不凝固、不泌水、不沉淀，混合后凝結(jié)時間為3～10min，1～8h 的強度能達到 8～15MPa以上，適用于采掘工作面破碎煤體加固，淺層煤體表面注漿加固效果最佳。

注漿配比選?。阂话闱闆r注漿水灰比0.8：1，若漏漿時可將水灰比控制在0.7：1。

表1 聯(lián)邦加固雙液注漿材料不同水灰比條件下凈漿抗壓強度

破碎圍巖恢復連續(xù)性后，應(yīng)對其施加強力的邊界條件，使注漿后的圍巖具有較強的承載能力，特意選取強力錨索來阻止圍巖的再次變形[6]。根據(jù)窺視結(jié)果，頂幫錨索有效錨固范圍至少覆蓋5.5m以上范圍，錨索直徑為φ22mm，采用1×19股高強度低松弛預應(yīng)力鋼絞線。極限拉斷力550kN，延伸率7%。強力錨索使用拱形高強度錨索托板300×300×16mm（帶調(diào)心球墊）及配套鎖具，承載能力不低于50t。

3.2 頂幫擴刷支護、起底

由于輔運大巷圍巖變形嚴重，拱頂噴層開裂嚴重，部分巷道斷面不夠，為保證施工期間安全，先采用風鎬挑掉頂板的活矸，然后采用掛鋼筋網(wǎng)，補打錨桿、錨索，進行支護和維護，防止頂板噴層掉落砸傷施工人員和損壞施工設(shè)備，保證巷道斷面滿足使用要求。現(xiàn)場每次刷幫和挑頂?shù)难h(huán)進度不超過2m，擴幫和挑頂完畢后，立即進行錨網(wǎng)支護。

3.3 底板預應(yīng)力注漿錨索支護

為減小底鼓變形量，對底板進行預應(yīng)力注漿錨索支護，起到注漿及支護雙重效果效果。所用底板注漿錨索型號為SKP22/1-1720-6300，沿底板每排3根，錨索排距為2000mm，間距為2050mm。底板注漿錨索布置如圖2。注漿后底板破碎圍巖裂隙被填充，承載能力得到提高，圍巖完整性變強。

圖2 輔運大巷底板注漿錨索鉆孔布置圖

采用分次全長錨固：端部采用水泥灌漿錨固。灌漿錨固長度2000～3000mm，預留第二次注漿張拉預緊段。第一次灌注，錨固錨索底端，注漿壓力0。張拉前第二次注漿，注漿壓力2～3 MPa。

3.4 頂幫預應(yīng)力注漿錨索支護

圖3 輔運大巷淺部注漿鉆孔布置圖

為減小輔運大巷頂幫圍巖變形，對頂幫進行預應(yīng)力注漿錨索支護，起到注漿及支護雙重效果效果。所用頂幫注漿錨索型號SKP22/1-1720-6300，錨索沿拱型斷面均勻布置5個，排距3000mm，鉆孔間距3000mm。頂幫注漿錨索布置如圖3。圍巖裂隙發(fā)育程度能夠影響注漿壓力對注漿效果，注漿壓力3～5MPa較為適宜，當漏漿嚴重時，應(yīng)適當降低注漿壓力。注漿后頂幫破碎圍巖裂隙被填充，頂幫形成一個整體，承載能力得到提高。

3.5 頂幫預應(yīng)力注漿錨索支護

在高壓注漿工程完成一周后，對輔運大巷頂幫圍巖進行預應(yīng)力注漿錨索補強支護施工。所選用強力注漿錨索型號為SKP22/1-1720-7300。頂幫錨索采用樹脂端部錨固，三支錨固劑，一支規(guī)格為MSK2335，另兩支規(guī)格為MSZ2360，樹脂錨固長度為1970mm，其余部分采用水泥漿錨固[7]。預應(yīng)力注漿錨索沿巷道斷面，布置在原有的兩排錨索之間，排距2000mm，間距2000mm。注漿封孔水灰比為0.7：1。巷道頂幫錨索布置如圖4。

圖4 輔運大巷注漿錨索鉆孔布置圖

4 礦壓觀測規(guī)律

4.1 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

從圖5可以看出，采取注漿措施后，淺部圍巖承載能力明顯在增加，圍巖應(yīng)力顯著提高，能夠承載20MPa應(yīng)力。注漿后再進行錨注有效傳遞了錨桿（索）施加于圍巖表面的預應(yīng)力，使深部圍巖應(yīng)力向淺部轉(zhuǎn)移，淺部應(yīng)力升高了5～10MPa，深部應(yīng)力降低了2～4MPa，有效阻斷了20m范圍內(nèi)深部圍巖體的破碎變形，顯著改善錨桿（索）對破碎圍巖的支護作用。

圖5 應(yīng)力分布示意圖

4.2 巷道表面位移觀測

采用十字布點法安設(shè)巷道表面位移監(jiān)測斷面。在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蜚@?30mm、深400mm的孔，將φ32mm、長400mm的木樁打入孔中。頂?shù)装?、上下幫木樁端部安設(shè)測釘[8]。對輔運大巷不同區(qū)域進行表現(xiàn)位移觀測，其變形量如圖6所示。

圖6 支護方式與圍巖變形的關(guān)系

可以看出，圖中單純錨索支護，巷道最大兩幫位移量693mm，底鼓量286mm，頂板下沉量249mm；在使用注漿的基礎(chǔ)上再進行錨索補強的支護方式以后，巷道兩幫位移量最大為174mm、底鼓量最大為80mm、頂板下沉量最大為184mm，與單純錨索支護相比，兩幫位移量、底鼓量、頂板下沉量最大值分別下降81.7%、72%、36.1%，變形量明顯減小，巷道支護質(zhì)量明顯提升。

5 結(jié) 論

針對高應(yīng)力動壓影響巷道，淺部圍巖破碎嚴重，首先應(yīng)采用高壓注漿加固技術(shù)，提高淺部圍巖承載能力，深部應(yīng)力向淺部轉(zhuǎn)移，淺部圍巖應(yīng)力能夠達到20MPa應(yīng)力以上，深部應(yīng)力降低2～4MPa，破碎圍巖形成完整結(jié)構(gòu)體。在此基礎(chǔ)上采取強力錨索支護能夠充分發(fā)揮錨索與注漿后圍巖的相互作業(yè)，大大改善巷道圍巖性質(zhì)，提高圍巖強度，確保加固后的巷道圍巖穩(wěn)定，巷道圍巖變形量能夠減少60%以上，巷道加固質(zhì)量和效果大幅提高，有效延長了巷道使用時間。