近距離煤層下組煤回采巷道圍巖破碎機(jī)理及加固技術(shù)研究

劉學(xué)曄，嚴(yán)國超，張遠(yuǎn)方

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.宜賓市敘州區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，四川 宜賓 644600)

由于近距離煤層礦山壓力特殊性，其開采存在較大程度的壓力和風(fēng)險。在近距離煤層開采過程中，回采巷道頂?shù)装鍑鷰r活動更加劇烈，造成巷道維護(hù)困難，巷道圍巖容易破碎變形，穩(wěn)定性不易控制，給工作面人員構(gòu)成極大威脅[1-3]。本文以沙坪煤礦為工程背景，分析了上層煤柱支承壓力在其底板的應(yīng)力分布規(guī)律，找到了下組煤回采巷道極易變形和破壞的原因；在此基礎(chǔ)上對下組煤回采巷道加固技術(shù)進(jìn)行研究，提出了在巷道圍巖變形、破碎區(qū)域運(yùn)用注漿加固技術(shù)[4-6]。通過注漿，使?jié){液擴(kuò)散到巷道圍巖破碎區(qū)域的孔隙、裂隙中，達(dá)到改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)的效果，工程實(shí)例驗(yàn)證表明注漿強(qiáng)化了圍巖變形、破碎區(qū)域的整體性，增強(qiáng)了圍巖物理力學(xué)特性。注漿加固與錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)有效地解決了近距離煤層下組煤回采巷道破碎圍巖控制難題。

1 工程概況

沙坪煤業(yè)有限公司位于山西省河曲縣小五村以北，原聚寶溝村東南、郭家墕西南?，F(xiàn)主采8號煤層，煤層埋深120 m，傾角平均3°～5°。本區(qū)域構(gòu)造簡單，無大的褶皺及斷裂，8號上煤層厚2.9 m，頂板為炭質(zhì)泥巖，厚14.3 m，8號煤層距離8號上煤層3.9～7.2 m，平均5.4 m，層間距較小，8號煤層厚2.6 m，頂板(8號上煤層底板)為厚2.9 m的中砂巖和厚2.5 m的泥巖。1808輔運(yùn)順槽沿8號煤層底板掘進(jìn)，高3.3 m、寬5 m，位于8號上煤層18204輔運(yùn)順槽與18204膠運(yùn)順槽保護(hù)煤柱之下，18204工作面已采空。巷道位置關(guān)系如圖1所示。在煤柱集中應(yīng)力、自身采動應(yīng)力以及上覆巖層支承壓力的影響下，巷道變形破壞嚴(yán)重。巷道收斂變形后，在巷道破壞嚴(yán)重地段，頂板下沉量接近300 mm，兩幫移近量達(dá)到800 mm，嚴(yán)重影響了1808工作面的正常生產(chǎn)工作。

圖1 兩煤層剖面示意圖

Fig.1 Diagram of two coal seams profile

2 巷道破壞機(jī)理分析

2.1 1808輔運(yùn)順槽數(shù)值模擬分析

以沙坪煤礦8號煤層開采條件為例，根據(jù)煤巖層賦存情況建立FLAC3D數(shù)值模型，模型的煤巖體力學(xué)參數(shù)見表1，分析上部煤層煤柱在底板煤層、巖層中的垂直應(yīng)力分布規(guī)律[9]，如圖2和圖3所示。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)表

圖2 18204采空區(qū)在下組煤垂直應(yīng)力分布

Fig.2 18204 mined-out area vertical stress distribution in lower group coal

圖3 1808輔運(yùn)順槽開挖后垂直應(yīng)力分布

Fig.3 Vertical stress distribution after excavation of auxiliary transport trench 1808

從圖2中可以看出，8號上煤層18204工作面采空后在18204輔運(yùn)順槽與18204膠運(yùn)順槽之間保護(hù)煤柱上垂直應(yīng)力集中，且煤柱下方應(yīng)力以及影響范圍遠(yuǎn)大于其他位置。采空區(qū)區(qū)域的應(yīng)力相應(yīng)會分布在采過后前后方煤體上和采過后兩側(cè)留設(shè)的煤柱上，這些應(yīng)力集中程度很高，甚至這些圍巖應(yīng)力會不斷向開采過后底板更深的地方傳播。18204工作面采空后，18204膠運(yùn)順槽和工作面附近區(qū)域的頂板處于懸空狀態(tài)，上覆巖層施加的荷載加載到工作面前面和順槽兩邊的煤柱上，造成煤柱靠近采空區(qū)側(cè)應(yīng)力迅速增加。對于18204輔運(yùn)順槽與18204膠運(yùn)順槽留設(shè)的寬度較小的保護(hù)煤柱，其本身強(qiáng)度就不夠，承載力相應(yīng)也會發(fā)生瞬間變化，只有通過把相應(yīng)荷載向煤層底板傳遞，隨著應(yīng)力在8號上煤層底板中的衰減，能量在底板中被吸收，并傳遞到8號煤層，所以在1808輔運(yùn)順槽的圍巖區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，如圖3所示。隨著本煤層的開采推進(jìn)，1808輔運(yùn)順槽也受到自身采動應(yīng)力影響，在復(fù)合疊加壓力的作用下，巷道圍巖破壞范圍增大，巷道圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育。

從圖4中可以看出，1808工作面采空后在1808輔運(yùn)順槽煤幫側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值大小為7.3 MPa，巷道頂板區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)域?？梢钥闯?，隨著本煤層工作面開采，1808輔運(yùn)順槽圍巖會受到相當(dāng)大的應(yīng)力作用，如果不對圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，巷道會在較大的圍巖應(yīng)力下進(jìn)一步發(fā)生破壞。

圖4 1808工作面采空后垂直應(yīng)力分布

Fig.4 Vertical stress distribution after mined-out in 1808 working face

2.2 1808輔運(yùn)順槽底鼓破壞機(jī)理分析

由于1808輔運(yùn)順槽底板處于敞開不支護(hù)狀態(tài)，巷道底板成為了良好的應(yīng)力和變形的釋放場所，使得巷道支護(hù)體系成為薄弱環(huán)節(jié)，底板為泥巖，強(qiáng)度低，根據(jù)分析泥巖的微結(jié)構(gòu)特性[7-8]，可以知道底板巖層中的泥巖顆粒含有一定的孔洞和孔隙。圍巖的軟弱破碎和疊加應(yīng)力作用，巷道圍巖會發(fā)生擠壓流動，作用力緩慢地進(jìn)入底板并造成破壞后，泥巖顆粒中的一些微小孔洞慢慢貫通、增大，最終發(fā)展為宏觀裂隙，使底板的破壞區(qū)域變大，巷道圍巖更加難以控制。

由上述分析可知，在復(fù)合疊加壓力的影響之下，1808輔運(yùn)順槽圍巖發(fā)生了變形、破碎，當(dāng)遇到松散、軟弱程度較大的巖層，普通的錨桿支護(hù)因?yàn)槭チ藦?qiáng)有力的著力基礎(chǔ)而不能發(fā)揮作用，甚至錨固失效錨桿索未能良好地發(fā)揮其性能，導(dǎo)致支護(hù)失效，底板發(fā)生擠壓流動型底鼓，采取合理有效的加固技術(shù)才能夠避免巷道出現(xiàn)更大變形災(zāi)害的發(fā)生，保證順槽安全穩(wěn)定。

3 輔運(yùn)順槽補(bǔ)強(qiáng)加固對策

3.1 輔運(yùn)順槽注漿加固機(jī)理

針對1808輔運(yùn)順槽圍巖破碎程度較大、節(jié)理發(fā)育的情況。由斷裂力學(xué)理論可知，當(dāng)連續(xù)介質(zhì)(如巖體)內(nèi)有裂隙時，裂隙附近的巖石單元處于二向應(yīng)力狀態(tài)(裂隙面法相應(yīng)力為零)，在承載過程中會形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中。而如果對巷道采取注漿加固后，將注漿材料充滿節(jié)理裂隙內(nèi)，通過注漿材料對裂隙面的黏結(jié)作用，達(dá)到削弱裂隙端部的應(yīng)力集中，并且?guī)r石單元將轉(zhuǎn)變成三向受力狀態(tài)，從而可使巖體的破壞機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變[9-10]。從這一角度來看，對1808輔運(yùn)順槽破碎嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行注漿加固可以起到改善圍巖結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換破壞并增加圍巖強(qiáng)度的作用。

通過注漿加固圍巖，使錨桿支護(hù)的著力基礎(chǔ)得到強(qiáng)化，錨桿支護(hù)作用得到有效發(fā)揮，使得錨桿更好地適應(yīng)圍巖較大變形并提供支護(hù)阻力。注漿加固通過漿液的滲透、壓入使重新膠結(jié)起來的巖體與錨桿支護(hù)連為一體，有效提高圍巖整體的承載能力，這也是與純粹的錨桿或錨網(wǎng)支護(hù)相比的優(yōu)勢所在。

針對1808輔運(yùn)順槽在疊加作用力下，巷道圍巖節(jié)理發(fā)育且完整性差的現(xiàn)象，錨桿由于失去了強(qiáng)有力的著力基礎(chǔ)而不能發(fā)揮作用，導(dǎo)致錨固失效?？梢酝ㄟ^注漿加固配合錨桿補(bǔ)強(qiáng)，保證錨桿支護(hù)的可靠性和連續(xù)性，改善支護(hù)效果，提高圍巖穩(wěn)定性。

3.2 巷道注漿加固設(shè)計

3.2.1 注漿材料

因?yàn)樵谧{之后需要立即對巷道進(jìn)行翻修，所以采用快凝、早強(qiáng)型的無機(jī)注漿材料，適合時效性要求較高的注漿。根據(jù)煤礦實(shí)際需要，材料水灰比采用0.7和0.8，詳見表2。

表2 注漿材料性能表

3.2.2 注漿壓力

通過漿液擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)分析了當(dāng)注漿壓力處于不同情況下，注漿漿液在水灰比w/c分別為0.7、0.8時的擴(kuò)散規(guī)律，見圖5。

圖5 不同注漿壓力漿液擴(kuò)散深度曲線

Fig.5 Diffusion depth curve of grout under different grouting pressures

由圖5可知，相同水灰比的注漿漿液，隨注漿壓力的增大，漿液的擴(kuò)散范圍明顯擴(kuò)大，當(dāng)注漿壓力增大到一定程度時，壓力對漿液的擴(kuò)散深度影響不大。當(dāng)注漿壓力增加至10 MPa時，巷道注漿區(qū)域會出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。所以在注漿工作進(jìn)行過程中，要嚴(yán)格控制注漿壓力的大小，防止注漿工作對巷道產(chǎn)生更大的破壞，避免注漿起到相反的效果。

3.2.3 注漿孔間排距

在注漿工程中，注漿漿液在工程完成固化以前，漿液需到達(dá)斷面所有區(qū)域，無死角。根據(jù)以往注漿經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計巷道注漿孔間排距應(yīng)滿足式(1)～(3)。

(1)

R1≤1.414r

(2)

R2≤1.414r

(3)

式中：R1、R2分別為注漿孔間距，m；r為注漿漿液的擴(kuò)散深度，m。

由選取材料的漿液擴(kuò)散深度曲線得知漿液的擴(kuò)散深度r為2.5～5.9 m。經(jīng)計算R1、R2范圍，R1、R2應(yīng)小于3.5 m。針對1808輔運(yùn)巷道注漿，兩幫采用深淺孔層次注漿，為了保證注漿的效果，結(jié)合數(shù)值模擬巷道破壞范圍，可以確定注漿排距為2.5 m，間距為1.0 m，頂板和底板區(qū)域采用淺孔注漿。

注漿管采用Φ28 mm的鋼管，深孔注漿管長度為6 m，淺孔注漿管長度為2 m。對于頂板區(qū)域的注漿，壓力可適當(dāng)降低。由于巷道圍巖較破碎，在巷道進(jìn)行注漿工作過程中容易發(fā)生串孔現(xiàn)象，為了減少串孔現(xiàn)象，要求注漿過程中應(yīng)遵循“先下后上，由淺入深，隔孔施工”的原則。

通過實(shí)驗(yàn)及注漿經(jīng)驗(yàn)，最終確定漿液水灰比為0.8，注漿壓力應(yīng)保持在1.5～4.5 MPa。

3.3 注漿加固方案

順槽頂板與底板注漿間距為1.0 m，每排布置3個注漿孔，注漿孔排距為2.5 m，注漿管長度為2.0 m，在不大于4.5 MPa的注漿壓力下進(jìn)行注漿。

順槽幫部淺層區(qū)域煤巖破碎嚴(yán)重、裂隙發(fā)育明顯，宜配合低壓(0～1 MPa)、低流量(5～10 L/min)，避免漿液向鉆孔深處擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)快速堵漏。深層區(qū)域裂隙發(fā)育程度不明顯，在淺層止?jié){層形成之后，宜配合中高壓(4～5 MPa)，實(shí)現(xiàn)滲透和劈裂注漿，直到注不進(jìn)液為止。

3.4 注漿加固后聯(lián)合錨桿支護(hù)設(shè)計

翻修巷道之后，對巷道進(jìn)行錨桿、金屬網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。巷道補(bǔ)打Q500高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，頂板選用Φ22 mm×2 400 mm的錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm；幫錨桿選用Φ20 mm×2 200 mm的錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，鋪設(shè)頂板金屬網(wǎng)，網(wǎng)間連接充分。

4 工程實(shí)踐效果實(shí)測

在對沙坪煤礦近距離煤層下組煤1808輔運(yùn)順槽注漿聯(lián)合錨桿支護(hù)后，對1808輔運(yùn)順槽的變形進(jìn)行了觀測，并為了進(jìn)一步觀察注漿后巷道圍巖的完整性，通過松動圈現(xiàn)場測試反映圍巖松動范圍及應(yīng)力變化，由此來確定加固效果[11-12]。

4.1 巷道變形觀測分析

由圖6可知，在采取加固措施后的初期巷道變形速度相對較快，巷道前10 d的累計變形量頂板達(dá)到32 mm左右，巷道兩幫接近85 mm，之后巷道變形速度變緩，30 d后趨于穩(wěn)定，50 d后巷道變形量穩(wěn)定，頂板累計變形量在50 mm左右，兩幫累計變形量在140 mm左右，相比加固之前變形量大大減少。

圖6 巷道變形觀測曲線圖

Fig.6 Observation curve of roadway deformation

4.2 巷道圍巖松動圈現(xiàn)場測試結(jié)果及分析

從圖7和圖8可以看出，巷道的單收速度最高為464 m/s，最低為427 m/s，波速隨孔深增加無較大變化，并且波速基本相對恒定在458 m/s左右；雙收速度最高為1 750 m/s，最低為1 677 m/s，波速隨孔深增加無較大變化，并且波速基本相對恒定在1 728 m/s左右。 巷道圍巖結(jié)構(gòu)完整，未發(fā)生松動破壞。

由巷道變形觀測和圍巖松動圈測試分析得出：通過對1808輔運(yùn)順槽破壞區(qū)域進(jìn)行注漿加固，漿液擴(kuò)散到巷道圍巖破碎區(qū)域裂隙中，達(dá)到了改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)的效果，強(qiáng)化了注漿區(qū)域圍巖的整體性和物理力學(xué)特性，注漿加固聯(lián)合錨桿支護(hù)良好地解決了沙坪煤礦所遇難題。

圖7 測站頂板聲速圖

Fig.7 Sound velocity map of the roof of surveying station

圖8 測站副幫聲速圖

Fig.8 Sound velocity map of both sides of surveying station

5 結(jié) 論

1) 通過數(shù)值模擬及理論分析，1808輔運(yùn)順槽在復(fù)合疊加壓力的影響之下，圍巖破碎變形，錨桿支護(hù)無法保證順槽安全、穩(wěn)定。由此提出在巷道圍巖破碎區(qū)域進(jìn)行注漿加固。

2) 結(jié)合現(xiàn)場條件和漿液擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，確定漿液水灰比、注漿壓力和注漿錨桿間排距。

3) 通過后期的巷道變形觀測和圍巖松動圈測試，巷道注漿效果良好，為錨桿聯(lián)合支護(hù)提供了輔助性作用。

通過對近距離煤層下組煤1808輔運(yùn)順槽變形、破碎破壞區(qū)域注漿加固，達(dá)到了改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)的效果，注漿加固聯(lián)合錨桿支護(hù)良好地解決了沙坪煤礦所遇難題，對于其他類似情況的礦井具有一定的參考價值。