古書院礦軟弱煤巖失控巷道綜合加固技術(shù)研究

鄭劍飛

(晉城煤業(yè)集團 晟泰公司， 山西 晉城 048000)

山西晉煤集團古書院礦開采15#煤層，煤層頂板為較堅硬的石灰?guī)r，底板為較松軟的泥巖，同時兩幫煤體松軟且中間存在夾層。在該地質(zhì)條件下，巷道受采動影響，特別是受動壓影響時，容易出現(xiàn)圍巖失控現(xiàn)象，造成巷道圍巖大變形，嚴重影響了礦井的安全生產(chǎn)。由于該類巷道為軟巖巷道，兩幫軟化的煤巖體給鉆孔施工帶來困難，傳統(tǒng)的補打錨桿、錨索等支護方式很難有效控制巷道變形[1-2]. 而注漿加固技術(shù)利用液化注漿材料注入軟弱破碎圍巖體內(nèi)，漿液固結(jié)后能有效將軟弱破碎圍巖重新膠結(jié)[3]，形成一定的承載能力后控制圍巖變形，同時也為配合其他支護方式提供良好的施工條件[4-5]. 為解決古書院礦軟弱煤巖巷道在動壓影響下頂板斷裂、底鼓等大變形失控問題，分析了該礦軟弱煤巖失控巷道圍巖破壞機理，采取注漿加固與錨桿錨索聯(lián)合支護的方式，對其圍巖變形進行控制。

1 工程概況

古書院礦1523101巷為早期掘進巷道，巷道兩側(cè)分別為鳳凰山礦151307工作面和古書院礦152310工作面，目前這兩個工作面均未回采，巷道兩側(cè)均為實體煤，巷道上方為鳳凰山礦92312工作面采空區(qū)。在巷道掘進1 000 m后開始出現(xiàn)巷道底鼓/兩幫變形和頂板斷裂等大變形特征，巷道底鼓量達1 600 mm，兩幫移近量達1 400 mm，頂板靠右?guī)蛡?cè)已經(jīng)出現(xiàn)10～20 mm的縱向裂痕，嚴重影響了巷道的安全使用。同時，由于該巷作為152301工作面膠帶進風、運輸順槽，服務(wù)年限較長，因此有必要對其圍巖破壞機理進行分析，采取有效的加固措施進行圍巖控制，減少對該礦安全生產(chǎn)的威脅。巷道平面布置圖見圖1.

圖1 巷道平面布置圖

2 圍巖破壞機理分析及加固方案選擇

2.1 圍巖破壞機理分析

在地下巖土工程中，造成巷道失穩(wěn)破壞的根本原因是圍巖的高應(yīng)力賦存環(huán)境[6]，但同時也與圍巖的物理力學性質(zhì)和施工因素有很大關(guān)系[7]. 其中，巷道煤巖體內(nèi)斷層、節(jié)理與裂隙等地質(zhì)構(gòu)造的存在將會降低圍巖的承載能力；地下水和溫度等工程環(huán)境也在一定程度上改變著圍巖的力學性質(zhì)；在掘進過程中巷道類型、斷面設(shè)計、支護方式及參數(shù)等也會對圍巖應(yīng)力分布造成影響，影響巷道穩(wěn)定[8-9]. 因此，為分析1523101巷圍巖破壞機理，對該巷所處的圍巖環(huán)境進行了分析。通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：

1) 該巷道底板為吸水性很強的泥巖，在水環(huán)境的作用下圍巖強度降低，從而降低了底板的穩(wěn)定性；兩幫煤巖體極為松軟，且含有夾層，使得該巷道在受地應(yīng)力的影響時容易造成巷道底鼓、兩幫變形。

2) 該區(qū)域受鳳凰山礦F45逆斷層(H=6.0 m，∠25°)及褶曲構(gòu)造影響，15#煤層局部起伏較大，使得部分巷道出現(xiàn)頂板破碎、煤厚傾角變化較大等現(xiàn)象。

3) 對該礦15#煤盤區(qū)進行了3個測點的地應(yīng)力測試，其中最大水平應(yīng)力為9.45 MPa、最小水平應(yīng)力為7.11 MPa，3個測站的側(cè)壓系數(shù)σH/σV均大于1，以水平應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場類型。

綜合以上分析可以看出，該巷道圍巖的吸水軟化特性、斷層構(gòu)造以及高水平應(yīng)力等因素的共同作用是造成軟弱圍巖發(fā)生大變形的主要原因。在施工過程中，支護時機和支護方式及參數(shù)選擇的不合理也是造成巷道失控的因素。同時，由于圍巖較為破碎，難以為錨桿、錨索等提供有效載體，也是巷道發(fā)生持續(xù)變形、破壞的原因。

2.2 加固方案選擇

由于該巷道為軟巖破碎巷道，傳統(tǒng)、單一的支護方式很難對其圍巖變形進行控制，需對圍巖進行聯(lián)合支護。由前期注漿錨桿支護施工反饋，由于巷道兩幫煤巖體較為松軟破碎，現(xiàn)場施工成孔困難，塌孔嚴重。可見，圍巖松軟破碎是造成巷道無法進行常規(guī)支護的主要原因，掌握圍巖破碎現(xiàn)狀、提高圍巖的整體性及圍巖的承載能力是進行其他支護的基礎(chǔ)和前提條件。而注漿加固通過固結(jié)破碎圍巖，提高圍巖的內(nèi)聚力和摩擦角，能較好地解決圍巖破碎問題，使煤巖體成為具備一定承載能力的整體。因此，選擇采用注漿加固和高強錨桿、錨索支護的綜合加固方案。

3 綜合加固方案

根據(jù)現(xiàn)場圍巖條件，對古書院礦1523101巷先進行起底、刷幫修復(fù)，達到設(shè)計斷面尺寸。根據(jù)圍巖破壞機理分析可知，巷道部分區(qū)域的頂板受到斷層等構(gòu)造的影響，但破碎程度較小，對其頂板僅采用錨桿錨索進行支護即可達到有效支護。而對于巷道兩幫，由于圍巖受水平應(yīng)力影響變形量較大，破碎嚴重，需先對兩幫進行注漿加固，提高圍巖承載能力，為之后的錨桿錨索支護提供有效載體，控制巷道圍巖變形。具體加固順序為頂板錨桿錨索支護、兩幫注漿→兩幫錨桿、錨索支護。

3.1 頂板支護

1) 在頂板裂縫兩側(cè)打設(shè)錨索進行支護，根據(jù)現(xiàn)場裂縫寬度和原有支護參數(shù)，確定錨索支護的間排距為1 000 mm×3 000 mm，均垂直頂板巖層打設(shè)。2) 采用SKP22-1/1860-6300型高強度低松弛鋼絞線錨索，錨索d22 mm、長度6 300 mm、端部設(shè)有樹脂錨固劑攪拌頭。3) 錨索加長預(yù)應(yīng)力錨固，即采用一支MSK2335和兩支MSZ2360樹脂錨固劑錨固。4) 鉆孔d28 mm，錨固長度1 486 mm，預(yù)緊力≥250 kN，其頂板支護布置圖見圖2.

圖2 頂板支護布置圖

3.2 兩幫注漿加固

3.2.1注漿加固材料

注漿材料是注漿加固的核心，決定了注漿加固的質(zhì)量，因此，在注漿加固前應(yīng)對注漿材料進行合理選擇[10]. 由于有機材料成本高、存在火災(zāi)隱患以及污染環(huán)境，該次注漿材料選用無機注漿材料。聯(lián)邦加固Ⅱ號是晉煤集團研究出的一種快凝、早強新型無機雙液注漿加固材料，同時也具備較強的可注性。單液在6 h內(nèi)不凝固、不泌水、不沉淀，混合后凝結(jié)時間為3～10 min，1～8 h的強度能達到8～15 MPa，其性能見表1.

表1 聯(lián)邦加固Ⅱ號無機注漿材料性能表

在進行兩幫注漿加固過程中，注漿加固順序為兩幫淺部注漿加固→兩幫深部注漿加固→錨桿、錨索加固。在注漿過程中，由于圍巖較破碎，為防止煤巖體漏漿，將材料的水灰比控制為0.8∶1，在該水灰比條件下漿液具有良好的黏稠性和可泵送性，同時其固結(jié)體強度滿足注漿加固需求。

3.2.2注漿加固參數(shù)

淺部注漿孔參數(shù)：注漿鉆孔沿巷道兩幫成排布置，相鄰兩排注漿鉆孔呈三花眼布置。注漿孔排距全部3 000 mm，淺部注漿孔間距1 100 mm. 當兩幫松軟破碎時，利用自鉆式中空注漿錨桿打孔形成注漿通道；當兩幫完整時，采用d56 mm地質(zhì)鉆機對兩幫底角鉆孔進行成孔，其余注漿鉆孔采用d42 mm錨桿鉆機打孔。鉆孔深度均為3 000 mm，兩幫底部鉆孔角度下仰10°，其余鉆孔均垂直于巷幫。在注漿過程中，當采用中空注漿錨桿作為注漿通道時，應(yīng)該在注漿錨桿距尾部1 000 mm范圍纏繞棉紗形成封孔，通過注漿錨桿進行注漿。當采用埋孔口注漿管進行注漿時，孔內(nèi)下射漿管，全長一次注漿施工，注漿孔射漿管長度2 000 mm，封孔深度為1 000 mm. 注漿終止壓力1～2 MPa，根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整。

深部注漿孔參數(shù)：注漿孔排距全部3 000 mm，孔間距1 500 mm，采用d42 mm錨桿鉆機垂直于巷幫打孔，孔深8 000 mm. 在注漿過程中，全部鉆孔采用埋孔口注漿管，孔內(nèi)下射漿管，全長一次注漿施工，注漿孔射漿管長度7 000 mm，封孔深度為1 000 mm. 注漿終止壓力4～6 MPa，根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整。深淺部鉆孔布置見圖3，圖中白色孔為淺層注漿孔，黑色孔為深層注漿孔。

圖3 深、淺部注漿鉆孔布置示意圖

當淺部圍巖較為破碎時可能會出現(xiàn)局部漏漿，可采用間歇注漿的方式形成堵漏，堵漏或壓水后復(fù)注，對漏漿嚴重導(dǎo)致停注的區(qū)域補打注漿孔。

3.3 兩幫支護

巷道兩幫圍巖無機材料注漿施工完成7 d后，進行預(yù)應(yīng)力錨桿錨索補強支護施工。1) 采用MSGLW-400的20#左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，長度2 000 mm，桿尾螺紋為M20 mm，錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，垂直巷幫打設(shè)；采用規(guī)格為MSK2335和MSZ2360的兩支樹脂錨固劑進行錨固，錨固長度為1 092 mm，托板規(guī)格為100 mm×100 mm×8 mm. 2) 采用規(guī)格為W235的W鋼護板護表對兩邊進行壓邊，同時采用50 mm×50 mm的10#鉛絲編織網(wǎng)片進行護表，規(guī)格為2 200 mm×1 100 mm. 3) 錨索采用d17.8 mm的1×7股高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度為5 300 mm，采用三支樹脂錨固劑加長錨固，1支規(guī)格為MSK2335，另2支規(guī)格為MSZ2360，樹脂錨固長度為1 406 mm；預(yù)應(yīng)力錨索沿巷道斷面成三花布置，排距2 000 mm，每排布置2根錨索，間距1 500 mm. 具體支護設(shè)計方案見圖4.

圖4 兩幫支護布置圖

4 工程效果

為掌握注漿-錨桿錨索加固后的圍巖變形情況，對注漿加固后錨索的受力情況和加固后的圍巖變形進行布點觀測，對典型的測點觀測數(shù)據(jù)進行分析。測點1和2的錨索受力隨時間變化曲線見圖5，測點的圍巖變形曲線見圖6.

圖5 兩幫錨索受力監(jiān)測曲線圖

圖6 巷道位移曲線圖

從圖5可以看出，經(jīng)過聯(lián)合支護后，在前80天內(nèi)，錨索受力一直保持增加，之后基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。錨索受力增大表明巷道整體性得到明顯提高，為錨索受力提供了良好的載體，錨索對控制圍巖變形起到了一定的抑制作用。同時，后期錨索受力基本穩(wěn)定，受力變化很小，說明巷道注漿加固后幫錨索很好地控制了巷道圍巖的變形；反過來巷道圍巖穩(wěn)定保證了錨索的受力不是一直增大，而是逐漸穩(wěn)定，錨索支護起到了預(yù)期的支護效果，有效控制了巷幫圍巖的變形。

由圖6可以看出，聯(lián)合支護后的巷道兩幫及頂?shù)装逦灰凭憩F(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的趨勢，其中，1號和2號測點的兩幫移近量穩(wěn)定在22 mm和3 mm左右，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在25 mm和24 mm左右，巷道變形量均較小，表明經(jīng)過聯(lián)合支護加固后的破碎軟巖巷道變形得到了較好的控制。

5 結(jié) 論

1) 分析了軟弱圍巖巷道失控機理，賦存環(huán)境、高水平構(gòu)造應(yīng)力等因素的共同作用是造成軟弱圍巖大變形的主要原因。同時，施工過程中支護時機和支護方式及參數(shù)選擇的不合理也是造成巷道失控的因素。

2) 解決圍巖破碎現(xiàn)狀、提高圍巖的整體性及圍巖的承載能力是進行其他支護方式的基礎(chǔ)和前提條件。提出了以注漿加固通過固結(jié)破碎圍巖為基礎(chǔ)，采用高強錨桿、錨索支護的綜合加固方案。

3) 經(jīng)過綜合加固后，破碎圍巖整體性得到明顯提高，錨索受力穩(wěn)定，能夠很好地抑制圍巖變形，同時巷道變形較小，巷道穩(wěn)定性提高。