石港煤業(yè)15210進(jìn)風(fēng)巷圍巖注漿加固技術(shù)應(yīng)用

（山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 左權(quán) 032600）

1 工程概況

山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司15210綜采工作面位于15#煤二采區(qū)，東南部為二采區(qū)準(zhǔn)備大巷，北部為正在回采的15208工作面，南部為15212工作面（未掘進(jìn)），西部為無主礦界，15210工作面具體位置見圖1。15210進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計長度為774m，巷道在15210進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)巷R252測點前7m處開口，沿15#煤頂板掘進(jìn)40m，按16°下坡掘進(jìn)30m，掘至15#煤底板，沿15#煤底板向前掘進(jìn)，巷道平均坡度為8°，15210進(jìn)風(fēng)巷煤巖層厚度、巖性見表1。15210工作面回采初期，進(jìn)風(fēng)巷圍巖出現(xiàn)明顯的過度變形和破壞，亟需采取一定的技術(shù)措施進(jìn)行圍巖加固，確保工作面的安全高效回采。

圖1 15210工作面位置關(guān)系

表1 15210綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷頂、底板巖性情況

2 15210進(jìn)風(fēng)巷原有支護(hù)方案及破壞特征

2.1 原有支護(hù)

15210進(jìn)風(fēng)巷永久支護(hù)方式為錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護(hù)，掘進(jìn)斷面尺寸（寬×高）為4500 mm×3200 mm，頂板支護(hù)材料為：Φ22 mm×2000 mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿、Φ18.9 mm×8300 mm鋼絞線錨索、六孔W型鋼帶（長、寬、厚=4300 mm、80 mm、8 mm）、Φ6.5 mm鐵絲制成的網(wǎng)孔為150 mm×150 mm的菱形網(wǎng)，錨桿布置間排距800 mm×800 mm，頂角錨桿向外側(cè)傾斜20°，錨索間排距為1250 mm×1600 mm，垂直頂板安裝。兩幫采用錨桿和金屬網(wǎng)與頂板規(guī)格相同，每排5根，間排距700 mm×800 mm，靠近頂角的錨桿與水平方向呈20°的夾角，其余沿水平方向布置。15210進(jìn)風(fēng)巷原有支護(hù)方案見圖2。

圖2 15210進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)方案

2.2 礦壓顯現(xiàn)特征

15210進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間受到臨近工作面的采動影響及采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響，掘巷前期圍巖發(fā)生一定的變形，成巷約兩周后圍巖基本穩(wěn)定，巷道斷面滿足正常使用的要求。15210工作面投入生產(chǎn)初期，15210進(jìn)風(fēng)巷受到超前支承壓力和臨近采空區(qū)側(cè)向支承壓力的復(fù)合影響，超前工作面一定范圍內(nèi)的巷道圍巖發(fā)生劇烈的礦壓顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為頂板快速下沉，煤柱幫片幫嚴(yán)重。工作面回采約60 m后，采用單體液壓支柱超前工作面50 m進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，前方巷道表明開始逐漸變形，巷道兩幫圍巖擠壓破碎，局部出現(xiàn)冒頂、網(wǎng)兜等現(xiàn)象，頂板最大下沉量達(dá)650～750 mm，煤柱幫局部位移量達(dá)450～550 mm，實體煤幫局部位移達(dá)300～380 mm，煤柱幫破壞更加嚴(yán)重。原有支護(hù)失效，頂板錨桿平均每排失效1～3根，個別錨索失效，煤柱幫錨桿局部失效1～2根，斷面已無法滿足其正常使用的需求。因此，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧ο锏绹鷰r進(jìn)行加固。

3 15210進(jìn)風(fēng)巷圍巖加固技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果可知，15210進(jìn)風(fēng)巷原有支護(hù)方案無法抑制松動圈的擴(kuò)展，可通過注漿法將破碎圍巖膠結(jié)成一個整體[1-2]，從而改善巷道圍巖的受力特征，達(dá)到控制巷道圍巖失穩(wěn)破壞的目的。

3.1 破碎煤體注漿固結(jié)強(qiáng)度研究

15210進(jìn)風(fēng)巷圍巖主要為松軟破碎的煤層，設(shè)計采用中國礦業(yè)大學(xué)研制的ZKD高水速凝材料[3-4]，為取得良好的加固效果，進(jìn)行不同注漿參數(shù)對煤體固結(jié)強(qiáng)度影響的研究。由于漿液的水灰比對加固效果非常關(guān)鍵，因此分別進(jìn)行水灰比為1.5:1、1.8:1、2.0:1條件下漿液膠結(jié)煤體的實驗。在15210進(jìn)風(fēng)巷現(xiàn)場進(jìn)行取樣，將取來的完整煤體加工成1×10-3m3的立方體試樣，破碎的煤體分別注入不同水灰比的漿液后加工成相同尺寸的試樣，注漿量為320 ml，養(yǎng)護(hù)48h后，進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗，試件見圖3。

圖3 各類型試件圖片

整理得到試驗平均單軸抗壓強(qiáng)度和水灰比的變化曲線見圖4。可以看出，ZKD高水材料漿液水灰比為1.5:1、1.8:1、2.0:1條件下，試樣的平均單軸抗壓強(qiáng)度分別為4.79MPa、2.93MPa、2.15MPa，隨著漿液濃度的增大（水灰比減?。嚇拥膹?qiáng)度逐漸增大，水灰比由1.8:1減小為1.5:1時，試件強(qiáng)度增大最為顯著，故本次研究選用水灰比為1.5:1的高水注漿材料。

圖4 試樣強(qiáng)度與漿液水灰比的關(guān)系

為便于理解和敘述，將注漿固結(jié)試樣單軸強(qiáng)度與完整試樣單軸強(qiáng)度的比值定義為強(qiáng)度恢復(fù)系數(shù)；將注漿固結(jié)試樣殘余強(qiáng)度與完整試樣殘余強(qiáng)度的比值定義為固結(jié)系數(shù)。由表2可以看出，注漿固結(jié)體的單軸抗壓強(qiáng)度為完整煤樣的26.1%～28.8%，注漿加固體試樣的殘余強(qiáng)度明顯大于完整煤體，其固結(jié)系數(shù)達(dá)1.80～2.25倍，注漿加固可使煤體破碎后的強(qiáng)度提高1.80～2.25倍。綜上分析可知，水灰比為1.5:1高水速凝材料加固后，一定程度提高了松軟破碎煤體的完整性和強(qiáng)度，并大幅度提高煤體的殘余強(qiáng)度，阻止了巷道圍巖的松動圈擴(kuò)展，從而有效地改善巷道表面位移情況。

表2 完整煤塊試樣和注漿固結(jié)體力學(xué)實驗結(jié)果對比

3.2 注漿加固方案設(shè)計與應(yīng)用

石港煤業(yè)15210進(jìn)風(fēng)巷采用ZKD高水速凝材料注漿加固，其水灰比為1.5:1。參考相關(guān)研究成果[5-6]，巷道淺部圍巖破碎嚴(yán)重，而深部的圍巖破碎程度較輕且裂隙開度較小，當(dāng)采用注漿法加固煤巖層時，圍巖破碎嚴(yán)重時注漿壓力一般不超過2MPa，圍巖較完整時注漿壓力不超過5MPa。為取得較好的注漿加固效果，淺部圍巖通過注漿管注漿，在巷道頂板原有支護(hù)的三根錨索之間布置兩個注漿孔，注漿孔直徑為42 mm，深度為2500 mm，間排距1500 mm×1600 mm，距離巷幫1500 mm，垂直頂板施工，注漿壓力為1～2MPa。頂板注漿孔直徑為32 mm，深度為8000 mm，每排三個注漿孔，布置在原有支護(hù)未安裝錨索的兩排錨桿之間，間排距1250 mm×1600 mm，采用Ф22 mm×8300 mm的中空注漿錨索，圍巖淺部注漿管與深部注漿錨索交替布置，注漿壓力4～5MPa；煤柱幫注漿孔直徑為32 mm，深度為5000 mm，間排距為1100 mm×1600 mm，每排兩根，采用Ф22 mm×5300 mm的中空注漿錨索，深孔注漿壓力為3～4MPa。注漿孔的布置見圖5。

圖5 15210進(jìn)風(fēng)巷圍巖注漿孔布置

4 15210進(jìn)風(fēng)巷圍巖注漿加固效果考察

為考察15210進(jìn)風(fēng)巷圍巖注漿加固效果，在15210工作面恢復(fù)生產(chǎn)后，超前工作面100 m布置巷道表面位移監(jiān)測站，直至工作面推進(jìn)至測點附近，其監(jiān)測點處巷道頂板下沉量為350 mm，巷道兩幫相對移近量為500 mm，巷道圍巖穩(wěn)定，能夠滿足正常生產(chǎn)要求。

采用鉆孔窺視儀對頂板巖層進(jìn)行窺視，其有代表性的結(jié)果見圖6，圖中黑色部分為煤體，白色部分為漿液凝固體，灰色部分為巷道頂板巖層。根據(jù)現(xiàn)場窺視結(jié)果分析總結(jié)可知，巷道頂板0～3.0m范圍內(nèi)，破碎煤體由漿液充填固結(jié)，煤體完整，注漿固結(jié)效果較明顯；巷道頂板3.0～6.8m范圍內(nèi)，圍巖內(nèi)的節(jié)理、裂隙由漿液充填，起到良好的膠結(jié)作用。

圖6 頂板鉆孔觀測注漿效果

5 結(jié)語

1）設(shè)計采用高水速凝材料對15210進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行加固，通過實驗室確定最佳水灰比為1.5:1，注漿后圍巖的殘余強(qiáng)度可提高1.80～2.25倍，注漿能夠顯著提高巷道圍巖的整體性。

2）設(shè)計采用注漿錨桿、中空注漿錨索對巷道頂板和煤柱幫進(jìn)行加固，通過鉆孔窺視表明：巷道頂板0～3.0m范圍內(nèi)，破碎煤體由漿液充填固結(jié)，煤體完整，注漿固結(jié)效果較明顯；巷道頂板3.0～6.8m范圍內(nèi)，圍巖內(nèi)的節(jié)理、裂隙由漿液充填，能起到良好的膠結(jié)作用。

3）對巷道圍巖進(jìn)行注漿加固，可以使巷道位移量顯著減小。