雙側(cè)采動應(yīng)力擾動下盤區(qū)大巷加固支護(hù)技術(shù)研究

郭東杰

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 成莊礦，山西 晉城 048000)

雙側(cè)采動應(yīng)力影響大巷圍巖變形控制一直是煤礦井下工程的一大難題。隨著煤礦開采強(qiáng)度提升，強(qiáng)采動影響下的開采和支護(hù)與日俱增，劇烈的礦山壓力顯現(xiàn)與復(fù)雜多變的圍巖條件、高密度的巷道布置等不利因素疊加影響，導(dǎo)致動壓影響巷道支護(hù)難度進(jìn)一步增加，巷道斷面嚴(yán)重收縮導(dǎo)致無法滿足安全使用要求[1-4]。巷道收縮變形實質(zhì)是圍巖裂隙發(fā)育擴(kuò)展的結(jié)果，因此如何盡量恢復(fù)變形后破碎圍巖的完整性是巷道加固修復(fù)的關(guān)鍵。注漿加固技術(shù)能原位加固修復(fù)破碎巖體完整性，廣泛應(yīng)用于破碎巖土工程加固，取得了顯著的效果[5-8]。

本文結(jié)合晉煤成莊礦受雙側(cè)采動影響盤區(qū)大巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，在變形特點調(diào)研、圍巖裂隙窺視和數(shù)值模擬分析，并結(jié)合強(qiáng)力支護(hù)理論的基礎(chǔ)上，提出對破碎圍巖進(jìn)行改性—支護(hù)綜合控加固技術(shù)。通過理論計算確定進(jìn)行注漿參數(shù)設(shè)計，成功應(yīng)用于盤區(qū)大巷加固施工。

1 工程概況

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

2102巷、2103巷和2104巷為成莊礦二盤區(qū)大巷，埋深約440m，服務(wù)于整個二盤區(qū)回采工作面，巷道斷面為直墻半圓拱型(寬×高=5.3m×4.15m)，均沿3#煤層底板掘進(jìn)，巷間凈煤柱尺寸為25m。二盤區(qū)工作面為兩翼綜放開采，如圖1所示，終采線與緊鄰大巷之間保護(hù)煤柱尺寸為90～135m，工作面均已回采。盤區(qū)大巷一側(cè)(2104巷側(cè))工作面回采時三條大巷對應(yīng)區(qū)段便產(chǎn)生過較嚴(yán)重的變形，隨后礦方對變形區(qū)段進(jìn)行巷修維護(hù)，一段時間內(nèi)巷道基本達(dá)到穩(wěn)定，巷道圍巖變形得到了控制。但隨著另一側(cè)(2102巷側(cè))工作面的回采，受雙側(cè)采動影響后，導(dǎo)致三條大巷對應(yīng)區(qū)段巷道產(chǎn)生了持續(xù)強(qiáng)烈的二次變形，其中，2013巷幫部收斂變形達(dá)到1.3m，頂?shù)装迨諗孔冃芜_(dá)到1.6m，已經(jīng)嚴(yán)重影響帶式輸送機(jī)運(yùn)輸和乘人架空裝置運(yùn)行。前期礦方對2103巷受動壓影響區(qū)段已經(jīng)進(jìn)行過巷修維護(hù)，仍未有效控制巷道圍巖變形，而且二盤區(qū)下部還有多個工作面需要進(jìn)行回采，急需采取有效的技術(shù)方案進(jìn)行徹底加固處理，保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和行人安全。

圖1 2103巷平面布置(m)

1.2 地質(zhì)力學(xué)評估

區(qū)域3#煤層均厚7.0m，松軟破碎，強(qiáng)度低；直接頂和老頂分別為1.4m厚的細(xì)砂巖、7.3m厚的中粒砂巖，巖體強(qiáng)度較高，完整性好；直接底和老底分別為1.1m厚泥巖、6.7m厚泥巖和砂質(zhì)泥巖互層，水平節(jié)理發(fā)育，強(qiáng)度低，遇水易軟化。

區(qū)域應(yīng)力場類型為σH>σv>σh，σH占優(yōu)勢，最大主應(yīng)力值為12.91MPa，垂直主應(yīng)力為11.87MPa，主應(yīng)力差(σH-σh)/σH為0.51，構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)的中等高應(yīng)力值區(qū)域，最大水平主應(yīng)力方向為北偏東85°。

結(jié)合2103巷圍巖變形程度共布置了4組測站，鉆孔深度8.0m，對2103巷受采動應(yīng)力影響變形后圍巖裂隙發(fā)育程度進(jìn)行了詳查。窺視結(jié)果顯示，2103巷頂板巖層破壞深度達(dá)到4.5m；幫部煤體破壞深度達(dá)到了8.0m，采動壓力對巷幫煤體破壞作用更大，這與回采引起的煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力值升高有很大關(guān)系，幫部4.0m深度以內(nèi)煤體十分破碎，裂隙分布數(shù)量多且張開度很大，4.0～8.0m范圍煤體裂隙分布數(shù)量少且張開度較小。2103巷圍巖產(chǎn)生大變形的主要原因是相鄰工作面強(qiáng)烈采動影響導(dǎo)致巷道圍巖受高應(yīng)力反復(fù)加載、擠壓，由淺部至深部原生裂隙二次擴(kuò)展和新生裂隙的發(fā)育，致使圍巖殘余強(qiáng)度急劇降低，高應(yīng)力往深部轉(zhuǎn)移，深部煤巖體受到的載荷增大發(fā)生屈服、剪切滑移變形，如此反復(fù)圍巖強(qiáng)度持續(xù)劣化，支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不斷弱化，最終失穩(wěn)變形。

2 破碎圍巖加固作用機(jī)理

對于受強(qiáng)采動影響的巷道，圍巖變形實質(zhì)是圍巖內(nèi)部的離層、滑移，裂隙張開擴(kuò)展。結(jié)構(gòu)面對支護(hù)預(yù)應(yīng)力場的影響數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示，數(shù)值計算結(jié)果表明[9]，裂隙的存在對錨桿(錨索)支護(hù)預(yù)應(yīng)力場的影響顯著，由于圍巖內(nèi)裂隙的存在，導(dǎo)致錨桿壓應(yīng)力區(qū)不再連續(xù)，預(yù)應(yīng)力的傳遞也受到影響，這時的支護(hù)效果最差。2103巷經(jīng)受相鄰兩側(cè)工作面動壓影響后，圍巖產(chǎn)生變形破壞，表面位移增大，實質(zhì)是圍巖內(nèi)部裂隙寬度、長度以及新裂隙數(shù)量的不斷增長，裂隙的存在會顯著降低主動支護(hù)預(yù)應(yīng)力場壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散范圍，削弱錨桿索的支護(hù)效果，尤其是淺部裂隙的存在對支護(hù)效果影響最大，中部次之，深部最小。成莊大巷單純采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時，巷道頂板、兩幫已發(fā)生破碎或離層，錨索的預(yù)緊力被離層隔斷，無法往圍巖深部有效擴(kuò)散，對破碎圍巖支護(hù)效果很差。因此針對破碎圍巖進(jìn)行二次加固支護(hù)時應(yīng)當(dāng)將注漿改性—支護(hù)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，是控制此類巷道變形的有效途徑。

成莊礦2103巷受雙側(cè)采動壓力影響后，圍巖已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的碎脹變形，裂隙十分發(fā)育，單一的錨索支護(hù)存在錨固力低、預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍小的缺陷，無法充分發(fā)揮其主動支護(hù)能力，針對破碎圍巖巷道加固應(yīng)在重塑圍巖結(jié)構(gòu)完整性基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對巷道圍巖的主動支護(hù)，先注漿改性后支護(hù)是較理想的加固技術(shù)。通過外部壓力將漿液注入受采動影響后的破碎圍巖中，凝固后形成結(jié)石體充填裂隙，恢復(fù)碎裂巖體完整性；注漿后破碎圍巖基本恢復(fù)連續(xù)狀態(tài)，但承載能力仍較弱，采用高預(yù)應(yīng)力錨索對其施加強(qiáng)力邊界條件，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，增強(qiáng)注漿后圍巖承載能力，阻止圍巖再次破壞，確保加固后的巷道圍巖長期穩(wěn)定[10-15]。

圖2 結(jié)構(gòu)面對支護(hù)預(yù)應(yīng)力場的影響

3 注漿加固參數(shù)設(shè)計及應(yīng)用

3.1 注漿參數(shù)理論計算

3.1.1 注漿壓力選取

滲透注漿的最小注漿壓力主要由3部分組成[16]：管路壓力損失p1、滲透壓力p2、注漿管水頭壓力差壓力損失p3。

1)p1包含輸漿管、注漿管和出漿孔阻力等組成，其中，輸漿管阻力占主要影響因素。因此管道流體壓力損失公式如下：

0.013×(100/0.025)×1700×2.22/2=0.2MPa

(1)

式中，p1為管路壓力損失，MPa；λ為高壓管沿程阻力系數(shù)，λ=64/Re=0.013，其中，Re為雷諾數(shù)Re=ρvd/μ；l為管路長度，取100m；d為管路直徑，取0.025m；ρ為水泥漿液密度，取1.7×103kg/m3；ν為漿液流速，取2.2m/s。

2)滲透壓力p2要小于由弱面控制的圍巖體的抗拉強(qiáng)度Rt。

3)注漿管水頭壓力差壓力損失p3主要考慮注頂板鉆孔時情況，巷道頂板注漿孔是垂直布置。

p3=γ1Δh=1.7×103×10×4=0.068MPa

式中，γ1為漿液容重，N/m3；Δh為注漿管高差，m。

松軟破碎煤巖體注漿的最小注漿壓力為：

ps=p1+p2+p3=1.885MPa

(2)

注漿壓力和擴(kuò)散半徑是一對相輔相成的參數(shù)，相互之間呈正比關(guān)系。根據(jù)成莊礦多年注漿工程經(jīng)驗，確定淺孔注漿壓力為2～4MPa，深孔注漿孔注漿壓力為6～8MPa(孔口)。

3.1.2 擴(kuò)散半徑

破碎煤巖體注漿按Maag擴(kuò)散公式計算擴(kuò)散半徑：

式中，R為擴(kuò)散半徑，cm；r0為注漿孔半徑，取1.8cm，p為注漿壓力，厘米水頭，H=p/γ=p/ρg=3×106/1.714×104=17500cm；k為滲透系數(shù)，取1.5cm/s；t為注漿時間，取600s；n為孔隙率，測試表明無煙煤n=0.47～0.53；β為漿液粘度對水的粘度比，取20。

將各參數(shù)帶入式(3)中得出成莊礦3#煤巷幫水泥注漿漿液擴(kuò)散半徑為：

=200cm=2.0m

注漿孔間排距在漿液擴(kuò)散半徑基礎(chǔ)上按照盡量降低注漿工程造價和保證最佳充填效果兩方面綜合考慮確定，一般注漿孔間排距小于2倍的擴(kuò)散半徑。根據(jù)注漿工程經(jīng)驗，排距m和間距n分別為1.74倍和1.6倍的擴(kuò)散半徑，即：排距m=1.74R=3.48m，n=1.6R=3.2m。為保證注漿效果，最終選取間距2m，排距為3m。

3.2 注漿材料與參數(shù)

1)采用可注性強(qiáng)、流動性好、滲透性強(qiáng)、粘結(jié)性好的聯(lián)邦加固Ⅰ號作為注漿材料，水灰比為0.6∶1～0.8∶1。

2)注漿鉆孔參數(shù)。注漿孔布置如圖3所示，幫、頂淺孔分別為3m和5m，深孔為8m，直徑36～58mm，間距1.8～2.0m，排距3m，采用深淺孔交替布置以增強(qiáng)漿液擴(kuò)散效果。淺、深孔注漿終孔壓力分別為4MPa和6MPa，注漿工序遵循由淺入深，由低到高的順序。

圖3 加固支護(hù)斷面圖(mm)

3)注漿錨索參數(shù)。注漿后采用強(qiáng)力錨索進(jìn)行主動支護(hù)控制2103巷圍巖長期流變變形。錨索規(guī)格為SKP22-1/1720-7400，索體極限破斷力550kN，最大力總延伸率不小于5%，配合高強(qiáng)度鎖具和拱形可調(diào)心托板，間距×排距=1.8m×2.0m。采用一支MSK2335和兩支MSZ2360樹脂錨固劑錨固，幫、拱錨索預(yù)緊力分別不低于150kN和250kN，張拉后進(jìn)行注漿，注漿工藝同上，終止壓力2～3MPa。

3.3 2103巷施工情況及加固效果分析

3.3.1 施工情況

2103巷加固長度426m，打設(shè)注漿鉆孔1388個，其中施工3m注漿孔308個，5m注漿孔463個，8m注漿孔617個，消耗聯(lián)邦加固Ⅰ號567.14t。圍巖支護(hù)施工錨索878根。沿巷道走向各區(qū)域材料消耗分布情況如圖4所示，2103巷幫頂每排注漿鉆孔消耗注漿材料均量為4.0t，消耗量集中在3～6t之間，僅有少數(shù)幾排注漿鉆孔消耗量達(dá)到6t以上。通過注漿量統(tǒng)計總體分析2103巷加固區(qū)域注漿材料分布情況，圍巖變形嚴(yán)重區(qū)域，注漿材料消耗量普遍較大，各區(qū)域材料消耗量與巷道圍巖變形情況一致，注漿量大小真實反映了區(qū)域圍巖破壞情況。

圖4 2103巷幫頂聯(lián)邦Ⅰ號注漿材料分布

3.3.2注漿施工效果

2103巷9#橫川至12#橫川之間巷道加固施工完成后，為了檢測注漿效果，在局部區(qū)域進(jìn)行了鉆孔窺視，現(xiàn)場對注漿充填效果進(jìn)行了觀察。一共布置了8個鉆孔，其中頂板鉆孔4個，孔深8000～9000mm，巷幫鉆孔4個，孔深6000～8000mm。窺視結(jié)果表明，注漿施工后聯(lián)邦加固Ⅰ號結(jié)石體對圍巖裂隙進(jìn)行了有效充填，裂隙內(nèi)形成了較完整的充填層，充填體填塞裂隙后有效重塑了破碎圍巖體的結(jié)構(gòu)，保證錨桿、錨索將力傳遞到圍巖深部，起到控制巷道圍巖變形的作用，保證了巷道的安全。

3.3.3 注漿后煤巖體錨固力影響分析

對2103巷受雙側(cè)采動影響后幫部煤體注漿前后錨索預(yù)緊力進(jìn)行了張拉試驗。結(jié)果表明，注漿后錨索預(yù)緊力增長幅度為20%～39%之間，說明通過注漿對破碎圍巖的充填膠結(jié)作用，顯著提高了圍巖的可錨性，保證錨索支護(hù)初期對圍巖施加較高的預(yù)緊力，增強(qiáng)了錨索對破碎圍巖的約束效果。

3.3.4 巷道表面位移監(jiān)測

2103巷圍巖變形量如圖5所示，從巷道圍巖表面位移結(jié)果看，對2103巷破碎圍巖進(jìn)行注漿改性和二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，巷道圍巖整體變形量很小，兩幫最大收縮量為50mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?5mm，說明進(jìn)行注錨綜合加固施工后有效控制了2103巷圍巖變形。

圖5 2103巷圍巖變形量

4 結(jié) 論

1)受相鄰工作面多次強(qiáng)采動影響產(chǎn)生的高應(yīng)力反復(fù)加載、擠壓，誘發(fā)煤巖體發(fā)生屈服、剪切滑移等碎脹變形，導(dǎo)致大巷圍巖松散破碎，殘余強(qiáng)度急劇劣化，支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性喪失，是大巷失穩(wěn)變形的直接原因。故必須進(jìn)行注漿加固，提高圍巖完整性和穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上開展主動支護(hù)設(shè)計。

2)聯(lián)邦加固Ⅰ號注漿的作用主要表現(xiàn)為，漿液注入破碎圍巖裂隙，凝固后的結(jié)石體充填、嵌入破碎圍巖內(nèi)部裂隙，恢復(fù)其完整性，依靠結(jié)石體的高抗壓強(qiáng)度，阻止圍巖擴(kuò)容性破壞向深部發(fā)展。注漿充填改性后采用高預(yù)應(yīng)力錨索對圍巖施加強(qiáng)力邊界條件，可有效傳遞錨索等支護(hù)體施加于圍巖表面的預(yù)應(yīng)力，擴(kuò)大錨索對圍巖支護(hù)的作用范圍和深度，進(jìn)一步提升支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的承載能力，確保加固后的巷道圍巖長期穩(wěn)定。

3)巷道各區(qū)域材料消耗量與巷道圍巖變形情況一致，注漿量大小真實反映了區(qū)域圍巖破壞程度，使用的注漿材料與現(xiàn)場條件相適應(yīng)。聯(lián)邦加固Ⅰ號漿液在0.6∶1～0.8∶1的低水灰比、高結(jié)石率、高強(qiáng)度條件下，具有良好的可注性，能夠注入0.5mm左右的窄小縫隙，顯著提高了破碎圍巖完整性，改善了破碎圍巖結(jié)構(gòu)。確定的注漿參數(shù)與施工工藝合理、可靠，為破碎圍巖下的重要井巷工程修復(fù)提供了可靠手段。

4)注漿加固重塑了破碎圍巖結(jié)構(gòu)，全區(qū)域幫頂錨索鉆孔一次成孔率達(dá)到90%以上；錨索預(yù)緊力普遍達(dá)到180kN以上，顯著提高了破碎圍巖可錨性；針對雙側(cè)采動影響巷道，采用注漿改性后主動支護(hù)的綜合加固技術(shù)，顯著提高了圍巖抗擾動能力，加固后錨索受力均勻，兩幫最大收縮量為50mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?5mm，有效控制了巷道破碎圍巖變形，加固效果顯著。