汾源煤業(yè)采動(dòng)影響下采區(qū)大巷群注漿加固技術(shù)研究

謝 鵬

(霍州煤電集團(tuán) 汾源煤業(yè)公司，山西 霍州 035100)

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)位于山西省忻州市靜樂(lè)縣杜家村鎮(zhèn)內(nèi)，采用斜井開(kāi)拓，生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a，開(kāi)采水平為+1 100 m，采用綜采放頂煤采煤工藝，礦井屬于瓦斯礦井，目前開(kāi)采5號(hào)煤層，5號(hào)煤層平均厚度8.1 m，傾角0～4°，一采區(qū)三條大巷均沿5號(hào)煤層底板掘進(jìn)，煤層頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。一采區(qū)井下標(biāo)高為+1 179～+1 267 m，埋深為270～390 m，采用雙翼布置，首先進(jìn)行采區(qū)左翼1-101工作面的回采，然后進(jìn)行右翼1-102工作面的回采，兩翼工作面交替進(jìn)行采掘。1-101工作面即將回采完畢時(shí)，對(duì)應(yīng)位置的三條大巷表現(xiàn)出明顯的變形破壞，需采用適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行治理。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

2 一采區(qū)大巷永久支護(hù)方案

一采區(qū)三條大巷平行布置，保護(hù)煤柱寬度為30 m，三條大巷均采用矩形斷面，斷面尺寸差別不大，因此本文以左側(cè)的輔運(yùn)大巷為例進(jìn)行研究。輔運(yùn)大巷斷面尺寸寬、高分別為5.2 m和3.6 m，掘進(jìn)期間其永久支護(hù)如圖1所示。頂板和兩幫錨桿規(guī)格為D20 mm×L2 400 mm，桿體材料為HRB500鋼，間排距均為800 mm，采用規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm的碟形托盤(pán)，頂板錨桿采用CK2335型和Z2360型樹(shù)脂藥卷各一支，安裝預(yù)緊力距不小于150 N·m，兩幫錨桿采用一支Z2360型樹(shù)脂藥卷，安裝預(yù)緊力距不小于50 N·m，同排錨桿間采用由D14 mm的圓鋼雙面焊接制作的梯子梁聯(lián)結(jié)，頂板靠近頂角錨桿向外側(cè)偏斜20°設(shè)置，幫部靠近頂角的錨桿向上傾斜20°布置，幫部靠近底角的錨桿向下傾斜20°布置。頂板錨索采用D18.9 mm×L8 300 mm的鋼絞線，間距為2 000 mm，排距2 400 mm，錨索間通過(guò)厚度3.5 mm的M型鋼帶聯(lián)結(jié)。

圖1 輔運(yùn)大巷支護(hù)斷面

3 大巷松動(dòng)圈測(cè)試

1-101工作面即將回采完畢階段，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)位置的三條大巷表面均出現(xiàn)明顯的變形現(xiàn)象，預(yù)計(jì)將影響巷道的正常使用，需采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧檎莆諊鷰r的變形破壞特征，現(xiàn)場(chǎng)采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)大巷圍巖的松動(dòng)圈進(jìn)行了測(cè)試[1-2]，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)掃描巷道斷面，在松動(dòng)破碎圍巖內(nèi)，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)出的電磁波呈雜亂無(wú)章的狀態(tài)，當(dāng)電磁波傳遞至破碎區(qū)與完整巖體的交界處時(shí)，電磁波會(huì)產(chǎn)生反射波，根據(jù)反射波的特征可推斷出巷道圍巖松動(dòng)圈的發(fā)育情況。在三條大巷內(nèi)分別布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體位置如圖2所示，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 松動(dòng)圈測(cè)點(diǎn)布置

由表2可以看出，三條大巷頂板和兩幫松動(dòng)圈發(fā)育范圍較大，底板松動(dòng)破壞范圍較小，頂板松動(dòng)圈發(fā)育范圍為2.4～2.6 m，兩幫松動(dòng)圈范圍為2.4～3.1 m，底板松動(dòng)圈范圍為0.85～1.45 m。根據(jù)松動(dòng)圈的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，三條大巷均屬于大松動(dòng)圈的范疇，巷道圍巖屬于Ⅳ和Ⅴ類(lèi)不穩(wěn)定圍巖，頂板和兩幫的松動(dòng)圈發(fā)育范圍均超出了錨桿支護(hù)的有效范圍，若不采取合理的加固措施，預(yù)計(jì)大巷圍巖存在整體性失穩(wěn)的可能。

表2 松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果 m

4 注漿加固技術(shù)

根據(jù)三條大巷圍巖松動(dòng)圈發(fā)育情況，原有錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)已無(wú)法控制巷道圍巖破壞，為抑制巷道圍巖內(nèi)松動(dòng)圈的進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育，提高巷道淺部圍巖的自穩(wěn)和承載能力，提出對(duì)巷道圍巖進(jìn)行注漿，根據(jù)松動(dòng)圈發(fā)育情況設(shè)計(jì)頂板和兩幫注漿加固范圍為3 000 mm。目前常用的注漿材料可分為化學(xué)漿液和水泥漿液，汾源煤業(yè)一采區(qū)大巷圍巖松動(dòng)破壞嚴(yán)重，圍巖內(nèi)存在大量裂隙、孔隙，漿液需要具有良好的粘結(jié)性和充填能力，因此選擇ZKD高水速凝材料，這種漿液具有水灰比高、滲透性好、微膨脹等優(yōu)點(diǎn)。

由于汾源煤業(yè)5號(hào)煤層頂板為泥質(zhì)灰?guī)r和泥巖，巖層內(nèi)富含遇水膨脹性礦物，漿液中析出水分過(guò)多的話將降低頂板巖層的強(qiáng)度，因此合理的水灰比對(duì)于注漿效果影響很大，因此決定進(jìn)行不同水灰比漿液性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，測(cè)試不同濃度漿液凝固后抗壓強(qiáng)度，整理得到表3所示結(jié)果。

表3 注漿后抗壓強(qiáng)度變化

從表3可以看出，漿液濃度愈高，漿液凝固周期越短，凝結(jié)后的強(qiáng)度愈高，但漿液水灰比小于1.5時(shí)，漿液凝結(jié)速度過(guò)快，不利于現(xiàn)場(chǎng)施工，但漿液濃度增大至1.8及以上時(shí)，漿液凝固后強(qiáng)度顯著降低，因此最終確定一采區(qū)三條大巷注漿材料水灰比為1.5∶1。

巷道淺部圍巖通?？赏ㄟ^(guò)注漿錨桿或中空注漿管，汾源煤業(yè)各條大巷圍巖破碎嚴(yán)重，漿液具有良好的滲流通道，因此選擇中空注漿管進(jìn)行注漿，沿長(zhǎng)度方向由注漿段、封孔段及聯(lián)結(jié)段組成，參考類(lèi)似地質(zhì)條件下巷道圍巖注漿管的設(shè)計(jì)[3-4]，本次注漿采用直徑20 mm的無(wú)縫鋼管，管壁厚2.5 mm，注漿管總長(zhǎng)度2.5 m，注漿管詳細(xì)情況如圖3所示。

圖3 中空注漿管示意(mm)

設(shè)計(jì)注漿鉆孔深度為3.0 m，鉆孔直徑42 mm，注漿孔間排距為1.6 m，為防止注漿期間，臨近鉆孔漏漿、跑漿，設(shè)計(jì)分兩次進(jìn)行注漿，首次注漿注漿孔排距為3.2 m，注漿孔布置如圖4所示。

圖4 大巷圍巖注漿孔布置

5 應(yīng)用效果分析

對(duì)1-101工作面對(duì)應(yīng)區(qū)域的三條大巷圍巖進(jìn)行注漿加固后，為考察注漿效果，在注漿前后采用YTJ20型巖層探測(cè)記錄儀對(duì)輔運(yùn)大巷頂板進(jìn)行鉆孔窺視，給出不同深度較典型的圍巖情況如圖5所示。由圖5可以看出，注漿前，輔運(yùn)大巷頂板深度0.5 m處巖層破碎嚴(yán)重，圍巖內(nèi)存在大量空隙；頂板深度0.5～1.5 m范圍內(nèi)，巖層也基本全部破碎，且存在明顯的離層，深度1.5～3.0 m范圍內(nèi)，巖層存在較大裂隙和離層。注漿后，0～0.5 m內(nèi)頂板巖層，漿液充填效果良好，0.5～1.5 m范圍內(nèi)，巖層內(nèi)的裂隙由漿液填充，膠結(jié)效果良好，深度1.5～3.0 m處，頂板巖層完整性良好。綜上可知，注漿加固后，大巷圍巖強(qiáng)度明顯提高，松動(dòng)圈發(fā)育范圍明顯減小。且加固后大巷表面無(wú)明顯的變形現(xiàn)象，圍巖整體穩(wěn)定，加固效果良好。

圖5 輔運(yùn)大巷注漿前后頂板窺視結(jié)果