動壓影響破碎圍巖巷道注漿加固技術研究

原海鵬

(汾西礦業(yè)南關煤業(yè)，山西 靈石 031304)

隨著礦井開采深度的增加，煤層賦存條件更為復雜、地質構造影響更為顯著，掘進巷道圍巖變形出現(xiàn)承載能力低、穩(wěn)定性差等問題[1-2]。對于巷道不穩(wěn)定圍巖加固技術，眾多的研究學者展開了研究，其中楊永剛等[3]對采動影響下瓦斯巷道圍巖變形特征進行分析并提出采用高強度錨索對不穩(wěn)定圍巖進行加固控制，取得了較好的圍巖控制效果；李樹清等[4]根據破碎圍巖變形特征，提出采用注漿加固方式控制圍巖變形并優(yōu)選了注漿漿液、提出了針對性的注漿加固工藝；張繼[5]對王莊煤礦厚煤層回采巷圍巖受力環(huán)境進行模擬分析，并提出淺部、深部聯(lián)合注漿方式控制圍巖變形。上述研究成果為巷道不穩(wěn)定圍巖控制提供了一定借鑒。但是受到圍巖巖性及煤層賦存條件差異影響，各巷道面臨的圍巖控制難題有差異，應針對性地開展圍巖加固技術。

1 工程概況

山西某礦5307工作面主采的3號煤埋深平均410 m，厚度6.91 m，含1～4層矸石，傾角2～8°，硬度1～3。采面北側為采區(qū)空、南側為實體煤、西側為井田邊界、東側為5采區(qū)集中膠帶運輸巷。5307運輸巷設計長度1 550 m，沿3號煤底板掘進，矩形斷面(寬×高=4 500 mm×3 200 mm)，巷道與采面北側采空區(qū)間預留有寬度18 m的煤柱，見圖1。

圖1 3號煤頂?shù)装鍘r性

5307運輸巷沿著3號煤底板掘進、支護工藝為錨網梁，巷道掘進期間在采空區(qū)側向壓力影響下雖然有一定的變形，但采用的錨網梁支護工藝基本可保證圍巖穩(wěn)定。但是當5307采面正式回采后，運輸巷圍巖在采空區(qū)側向壓力及采動壓力疊加影響下，圍巖變形量顯著增加，具體表現(xiàn)為頂板下沉、巷幫收斂。采面回采推進38 m時，運輸巷圍巖收斂嚴重，部分錨桿失效，現(xiàn)場統(tǒng)計每排錨桿均有2～3根失效、錨索1～2個失效。雖然采用單體超前40 m支護，但仍無法有效控制巷道圍巖變形?，F(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)巷道頂板、巷幫收斂量分別達到700 mm、1100 mm，因此，應選用合適方式對圍巖進行加固。

2 巷道圍巖變形原因分析

2.1 圍巖承載能力不強

5307運輸巷沿著3號煤底板掘進，巷道高度為3.2 m，頂板為厚3.71 m的煤層，由于3號煤直接頂為強度不高、裂隙發(fā)育的泥巖，在掘進應力擾動下圍巖破碎，承載能力進一步降低。

2.2 采空區(qū)側向壓力

采面留設的護巷煤柱寬度為18 m，受寬度留設不合理影響，巷道圍巖處于側向壓力峰值區(qū)域。根據數(shù)值模擬及理論分析預測，巷道掘進前方區(qū)域煤體有一定程度應力集中(集中系數(shù)約2.5)，應力峰值達到26 MPa，增加了巷道圍巖控制難度。

2.3 超前支承壓力

5307采面采用綜放開采工藝，一次開采高度為6.91 m，開采引起的超前支承壓力影響范圍更大、應力集中更為明顯。采面回采時運輸巷采面幫、煤柱幫垂向應力峰值分別為27.5 MPa、38.80 MPa，應力集中系數(shù)分別為2.75、3.27。超前支承壓力影響下巷道圍巖裂隙進一步發(fā)育、破碎程度增加。

2.4 原支護不合理

巷道原支護錨桿長度2 000 mm，錨固端未在穩(wěn)定巖層中，原支護雖然可滿足巷道掘進期間圍巖控制需要，但是在采面回采過程中圍巖裂隙發(fā)育，破碎范圍超過錨桿錨固范圍，從而造成錨桿失效。巷道淺部位移增加會導致深部位移出現(xiàn)一定程度變形，導致錨桿失效。

3 巷道圍巖注漿加固

5307回采期間運輸巷主要表現(xiàn)為頂板下沉及煤柱幫位移量大。巷道圍巖破碎、承載能力不強以及圍巖應力集中是導致巷道圍巖變形量較大的主要原因。為此，可通過注漿方式加固圍巖，提高圍巖承載能力以及支護結構圍巖控制效果。

3.1 注漿方案設計及優(yōu)選

3.1.1 注漿方案設計

結合現(xiàn)階段礦井常用的注漿方式，依據5307運輸巷實際條件提出下述三種注漿方案：

1) 煤柱幫、頂板均為淺孔注漿。主要優(yōu)點為可顯著提高注漿效率，同時提高淺部圍巖加固效果。

2) 煤柱幫采用淺孔注漿，頂板采用淺孔、深孔相結合的注漿方式。主要優(yōu)點為提高巷道頂板淺部及深部巖層強度，在提高巷幫強度的同時降低注漿工作量。

3) 煤柱幫采用深孔注漿，頂板采用淺孔、深孔相結合的注漿方式。主要優(yōu)點是在提高頂板巖層承載能力的同時提高巷幫強度。淺孔注漿均采用注漿管實現(xiàn)、深孔注漿采用注漿錨索。

3.1.2 注漿方案優(yōu)選

圍巖變形控制效果是注漿效果的最直觀體現(xiàn)。為此，采用數(shù)值模擬方式對不同注漿方案下的圍巖變形量進行監(jiān)測，根據變形量及巷道圍巖控制要求優(yōu)選最佳注漿方案。具體不同注漿方案下的巷道圍巖垂向位移見圖2，受篇幅限制文中未給出水平位移云圖。圍巖變形監(jiān)測結果見表1。

圖2 不同注漿方案圍巖垂向位移云圖

表1 不同注漿方案圍巖變形量 mm

結合圖2及表1得知，采用方案一時在頂板及煤柱幫采用淺孔注漿，相對于未注漿而言，頂板、煤柱幫、采面幫變形量降幅為128 mm、160 mm、41 mm，底鼓量變化較小，可見對巷道圍巖注漿加固后可顯著降低圍巖變形，但是圍巖變形量仍較大；方案二是在方案一基礎上在頂板上增加深孔注漿，采用方案二后頂板、煤柱幫變形量較方案一分別降低52 mm、24 mm，采面幫及底板變形基本無變化；方案三與方案二主要區(qū)別是將煤柱幫淺孔注漿改為深孔注漿，采用方案三后頂板、煤柱幫及采面幫較方案二分別降低60 mm、109 mm、15 mm，底鼓量變化小。

通過上述分析可知，采用淺孔注漿可提高淺部圍巖穩(wěn)定性及承載能力，雖然淺部注漿效率高，但是圍巖控制效果不顯著，特別是煤柱幫變形量仍較高。綜合分析并考慮采面開采超前支承壓力及采空區(qū)側向壓力顯現(xiàn)顯著，選擇方案三。

3.2 注漿現(xiàn)場實施應用

1) 注漿材料?，F(xiàn)階段礦井常用水泥漿、化學漿液提高圍巖強度，其中化學漿液代表為馬麗散、聚氨酯等；水泥漿主要為普通水泥漿、水泥-水玻璃雙液漿[6-9]。由于水泥漿的注漿工藝要求高、初凝時間不好掌握，膠結后會出現(xiàn)收縮，本次注漿不予考慮。

注漿選用化學漿液，考慮注漿成本，并結合其他礦井注漿情況，選用高水速凝材料作為主注漿材料，當圍巖嚴重破碎時注漿材料選用馬麗散。高水速凝材料水灰比為1∶1.5。

2) 注漿壓力。5307運輸巷采用淺孔、深孔結合的方式注漿，采用注漿管淺孔注漿時注漿壓力控制在2 MPa以內，采用注漿錨索深孔注漿時注漿壓力控制在5 MPa以內。

3) 注漿孔布置。巷道頂板采用淺孔(注漿管)、深孔(注漿錨索)相結合的方式注漿，煤柱幫采用深孔(注漿錨索)注漿，具體巷道內注漿孔布置見圖3。

圖3 注漿孔布置(mm)

頂板布置2個淺孔、3個深孔，淺孔均垂直頂板施工，兩側深孔均外插30°角(與頂板夾角均為70°)、中間1個深孔垂直頂板。淺孔間距為2 500 mm、排距為1 600 mm，深孔間距為1 500 mm、排距為1 600 mm。淺孔采用D42 mm風鉆施工，鉆進深度2 500 mm；深孔采用D32 mm鉆頭施工，鉆進深度8 000 mm.

煤柱幫布置2個深孔，注漿錨索間距為1 100 mm、排距為1 600 mm，孔深均為5 000 mm，采用D32 mm鉆頭施工。2個注漿與頂板、底板間距分別為700 mm、1 400 mm，均有10°外插角。頂板淺孔注漿采用規(guī)格D20 mm×2 000 mm注漿管、深孔注漿采用規(guī)格D22 mm×8 300 mm中空注漿錨索，煤柱幫深孔注漿采用規(guī)格D22 mm×5 300 mm中空注漿錨索，具體注漿錨索見圖4。

圖4 中空注漿錨索結構

3.3 注漿效果

未采用注漿加固時，運輸巷頂板下沉量為700 mm、巷幫變形量為1 100 mm。注漿加固完成后的圍巖變形情況見圖5。

圖5 注漿后圍巖變形量

從圖中看出，運輸巷圍巖注漿后，頂板、巷幫圍巖變形量最大分別為390 mm、675 mm，巷道圍巖變形量可滿足使用需要。因此，注漿取得顯著圍巖加固效果。

4 結 語

1) 5307運輸巷由于受到5305采空區(qū)側向壓力以及5307采面采空壓力疊加影響，加之留設護巷煤柱寬度不合理，導致巷道圍巖變形嚴重，支護體系中部分錨桿、錨索失效，巷道斷面收斂率過大，無法滿足采面回采需要。

2) 采用數(shù)值模擬技術對不同注漿方案進行優(yōu)選，最終確定頂板采用淺孔、深孔結合注漿，煤柱幫采用深孔注漿方式加固圍巖。

3) 注漿后，運輸巷頂板、巷幫變形量分別為390 mm、675 mm，較注漿前分別降低310 mm、425 mm，取得顯著的圍巖加固效果。