頂板破碎圍巖巷道“錨護(hù)噴注”一體化支護(hù)技術(shù)研究

劉海東，劉向忠，劉偉冬

(1.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 東曲煤礦，山西 古交 030200；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著煤層開采向深部發(fā)展，松散破碎圍巖巷道的圍巖控制是煤礦開采領(lǐng)域所面臨的重大難題之一[1-7]，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量研究。文獻(xiàn)[8]分析了深部軟巖巷道的破壞與控制機理，得到導(dǎo)致巷道承載力失效的主要原因是錨桿普遍處于破碎嚴(yán)重的圍巖中，支護(hù)潛力無法發(fā)揮，拱支護(hù)強度不足，后承載力低，并提出了“高強、完整、減壓”的概念。王連國等通過分析深部極高應(yīng)力極軟巖層巷道破壞特點，提出了錨注支護(hù)體系[9，10]；張文等通過理論分析軟弱破碎巷道破壞機理及圍巖支護(hù)，提出了“錨噴+化學(xué)注漿”聯(lián)合支護(hù)形式[11]；劉洪濤等基于彈性理論中布辛涅斯克方程和莫爾強度理論，提出了新錨固串結(jié)構(gòu)的理念，具有較好應(yīng)用前景[12]。頂板破碎圍巖巷道成型難，易出現(xiàn)頂板鏤空、離層、下沉及冒頂事故，嚴(yán)重影響了巷道的掘進(jìn)速度及施工安全[13-16]。因此，研究頂板破碎巷道圍巖支護(hù)技術(shù)具有重要現(xiàn)實意義。

以山西東曲礦18311工作面為工程背景，對頂板破碎巷道圍巖支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，確定了“錨護(hù)噴注”為一體的巷道圍巖加固技術(shù)，通過工程實踐，巷道圍巖控制效果良好。

1 工作面概況

18311工作面傾斜長度210m，走向長平均1050m，工作面開采8號煤層，煤層平均厚度3.5m，平均傾角5°，為近水平開采。煤層老頂為5.0m厚的石灰?guī)r，深灰色，含少量粘土質(zhì)，有節(jié)理；直接頂為2.5m厚的泥巖，灰黑色，質(zhì)較軟；直接底為3.3m厚的砂質(zhì)泥巖。

工作面直接頂泥巖質(zhì)較軟且易脫落，致使回采巷道掘進(jìn)期間護(hù)頂困難，容易出現(xiàn)頂板鏤空，巷道成型難，頂板離層及下沉量大的情況，尤其工作面運輸巷部分地段老頂巖層裂隙發(fā)育，更增加了支護(hù)難度；若支護(hù)不合理，極易發(fā)生冒頂事故，亟需科學(xué)有效的支護(hù)技術(shù)；工作面回采巷道中運輸巷圍巖條件最差，現(xiàn)以運輸巷為例進(jìn)行研究。

2 巷道圍巖變形破壞特征

為了解18311工作面運輸巷頂板巖層的完整度情況，對其頂板進(jìn)行了鉆孔窺視，結(jié)果如圖1所示。

圖1 巷道頂板裂隙發(fā)育探測結(jié)果

鉆孔探測結(jié)果表明：運輸巷頂板直接頂2.5m厚的泥巖基本全破碎，泥巖與粉砂巖交界處出現(xiàn)離層，5.0m厚的粉砂巖有近一半巖層裂隙較發(fā)育，頂板松動圈范圍約5.0m。

運輸巷原支護(hù)方案參數(shù)：頂板錨索布置2根?22mm×4300mm，間排距2500mm×1000mm；頂板錨桿布置6根?20mm×2400mm，間排距850mm×1000mm；幫部兩側(cè)各布置3根?20mm×1800mm，間排距1000mm×1000mm。在原支護(hù)方案下，運輸巷直接頂隨掘隨落，巷道成型難，個別區(qū)域頂板離層量及下沉量較大，這嚴(yán)重影響了巷道的掘進(jìn)速度及施工安全。

通過現(xiàn)場實測及調(diào)研，得到護(hù)頂困難，巷道變形破壞的主要因素：

1)巷道圍巖強度低。根據(jù)地質(zhì)資料，巷道圍巖為泥巖和粉砂巖，其抗壓強度分別為30.6MPa、39.5MPa，巷道圍巖強度低，不利于支護(hù)。

2)頂板破碎巖體范圍大。通過鉆孔探測可知，運輸巷頂板直接頂2.5m厚的泥巖基本全破碎，頂板松動圈范圍約5.0m，頂板破碎巖體范圍較大。

3)不合理巷道支護(hù)參數(shù)。錨索長度過短，4.3m錨索基本沒有錨固到完整巖層中，未能發(fā)揮其應(yīng)有作用；針對巷道頂板破碎且成型難，未增加護(hù)頂及改善圍巖結(jié)構(gòu)的措施。

3 巷道圍巖加固技術(shù)

3.1 巷道加固支護(hù)參數(shù)

針對破碎圍巖巷道，為改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)、提高圍巖的強度和承載能力，保障工作面掘進(jìn)及回采的安全，擬采用“錨護(hù)噴注”為一體的巷道圍巖加固技術(shù)，即超前注漿、巷道噴漿、加長錨索和滯后注漿相結(jié)合的圍巖加固技術(shù)。采用注漿加固是進(jìn)行破碎巖體局部改造維護(hù)巷道穩(wěn)定的一種主動方式，超前或滯后注漿是借助高壓把漿液注入到破碎巖體內(nèi)，通過擠壓、充填、膠結(jié)及封堵的作用，形成強度高、抗?jié)B透性好及穩(wěn)定性強的密實巖體，從而達(dá)到改善巖體結(jié)構(gòu)的目的。利用注漿加固破碎巖體，配合“錨噴”支護(hù)，可充分發(fā)揮煤錨支護(hù)構(gòu)件的作用，大大減少失錨及冒頂現(xiàn)象，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性以及自承能力。

1)超前注漿。針對直接頂隨掘隨落，頂板容易冒頂，巷道成型難等問題，在掘進(jìn)迎頭頂板補打傾斜注漿管進(jìn)行超前注漿，使?jié){液在破碎巖體內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，提高巖體的整體性，同時傾斜注漿管也具有挑頂、護(hù)頂作用。在巷道迎頭正前方與頂板夾角20°仰角施工打?15mm×6000mm注漿管，每排5根，間排距1000mm×2000mm。注漿材料為A、B雙組份速凝無機材料，注漿壓力4MPa，速凝注漿材料的使用，避免影響巷道的正常掘進(jìn)。

2)巷道噴漿。注漿需要良好的封閉性，巷道直接頂質(zhì)軟且易脫落，為了避免后續(xù)滯后注漿發(fā)生跑漿，同時增加護(hù)表能力及減少風(fēng)化，進(jìn)行巷道表面噴漿?；炷梁穸炔恍∮?0mm，不大于100mm，混凝土強度不小于C20。

3)加長錨索。針對原支護(hù)方案中錨索長度過短，基本錨固在松動圈范圍內(nèi)，難以發(fā)揮錨索應(yīng)有作用的情況，采用適當(dāng)增加錨索的長度，改善錨索的錨固區(qū)域，使錨索盡可能錨固在完整堅硬的巖層中。由現(xiàn)場實測可知，頂板松動圈范圍約5.0m，考慮到錨索錨固在巖性較好巖層的長度及外露長度，將4.3m錨索改為6.3m錨索。

4)滯后注漿。針對超前注漿可能存在漿液擴(kuò)散不全面且隨著巷道掘進(jìn)圍巖裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張的現(xiàn)狀，采用注漿錨索滯后注漿，進(jìn)一步改善巷道圍巖的結(jié)構(gòu)。即將錨索布置方式變更為一排普通錨索與一排注漿錨索交替布置。注漿材料為525#硅酸鹽水泥及添加劑，水灰比為2∶1，注漿壓力3～4MPa，注漿時機為滯后掘進(jìn)工作面迎頭10～20m。

改進(jìn)后支護(hù)參數(shù)：頂板錨索布置2根?22mm×6300mm，間排距2500mm×1000mm；布置方式為一排普通錨索與一排注漿錨索交替布置。頂板錨桿布置6根?20mm×2400mm，間排距850mm×1000mm；幫部兩側(cè)各布置3根?20mm×2000mm，間排距1000mm×1000mm。錨桿(索)支護(hù)配合W型鋼帶、菱形鋼筋網(wǎng)及配套托盤，設(shè)計頂板錨桿預(yù)緊力不小于300N·m，幫部錨桿預(yù)緊力不小于300N·m，普通錨索張拉力不小于200kN，注漿錨索張拉力不小于150kN。巷道支護(hù)參數(shù)如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)參數(shù)(mm)

3.2 數(shù)值模擬驗證

根據(jù)已有的勘探資料并結(jié)合巷道實際地質(zhì)條件，確定各巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，構(gòu)建FLAC3D數(shù)值計算模型，模擬采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，對注漿區(qū)域的煤巖體適當(dāng)提高物理力學(xué)參數(shù)[17-19]，原支護(hù)方案與改進(jìn)后支護(hù)方案的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)分布，如圖3、圖4所示。

注：shear—剪切破壞；tension—張拉破壞；-n—當(dāng)前破壞出現(xiàn)；-p—以前破壞出現(xiàn)

注：shear—剪切破壞；tension—張拉破壞；-n—當(dāng)前破壞出現(xiàn)；-p—以前破壞出現(xiàn)

由圖3、圖4可知，原支護(hù)方案：巷道頂板處垂直位移為234.1mm，底板最大底鼓量為69.5mm，頂?shù)装逑鄬σ平繛?03.6mm，兩幫相對移近量為499.4mm，頂板及兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中且區(qū)域較大，塑性區(qū)沿縱軸近似對稱分布，頂板、兩幫及肩窩處塑性區(qū)范圍較大，巷道整體圍巖結(jié)構(gòu)較差；而改進(jìn)后支護(hù)方案：巷道頂板處垂直位移為101.7mm，底板最大底鼓量為12.9mm，頂?shù)装逑鄬σ平繛?14.6mm，兩幫相對移近量為112.2mm，應(yīng)力集中區(qū)域、塑性區(qū)范圍和變形量都顯著減小，注漿加固使頂板破碎巖體膠結(jié)成“再生巖體”，改善了圍巖結(jié)構(gòu)，提高了圍巖強度，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力，“錨護(hù)噴注”為一體的巷道圍巖加固技術(shù)，有效保障了巷道掘進(jìn)期間頂板的穩(wěn)定。

4 工程應(yīng)用效果

巷道在掘進(jìn)期間進(jìn)行了巷道表面位移和頂板離層的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果和圍巖控制效果如圖5、圖6所示。

圖5 巷道監(jiān)測結(jié)果

圖6 圍巖控制效果

由監(jiān)測結(jié)果可知：兩幫移近量148mm，頂?shù)装逡平?9mm，頂板和兩幫的變形量均較小；0～2.4m淺部巖層離層量僅為3mm，表明頂板淺部破碎泥巖巖體得到有效控制，頂板總離層量為13mm，離層量較小；從頂板鉆孔窺視可知，漿液較好地充填在圍巖裂隙中，且膠結(jié)性良好，表明注漿加固效果顯著，破碎頂板得到了有效加固；從現(xiàn)場拍照可知，巷道成型較好，頂板較為平整，圍巖控制效果較好。

5 結(jié) 論

1)針對巷道頂板破碎，巷道成型難且變形量大等問題，為了解頂板巖層的完整度情況，對運輸巷進(jìn)行鉆孔窺視，實測基本頂全破碎，頂板松動圈范圍約5.0m；總結(jié)護(hù)頂困難，巷道變形失穩(wěn)主要因素為巷道圍巖強度低、頂板破碎巖體范圍大及不合理巷道支護(hù)參數(shù)。

2)為改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)，發(fā)揮圍巖的自承能力，保障工作面掘進(jìn)及回采的安全，擬采用“錨護(hù)噴注”一體化支護(hù)技術(shù)，即超前注漿、巷道噴漿、加長錨索和滯后注漿相結(jié)合的圍巖加固技術(shù)。

3)通過數(shù)值模擬進(jìn)行支護(hù)校驗，結(jié)果表明原支護(hù)方案，頂?shù)装逑鄬σ平繛?04mm，兩幫相對移近量為500mm，頂板及兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中，頂板、兩幫及肩窩處塑性區(qū)范圍較大；改進(jìn)后支護(hù)方案，巷道頂?shù)装逑鄬σ平繛?15mm，兩幫相對移近量為112mm，應(yīng)力集中區(qū)域、塑性區(qū)范圍和變形量都顯著減小，“錨護(hù)噴注”為一體的巷道圍巖加固技術(shù)具有可行性。

4)通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗，由監(jiān)測結(jié)果可知：兩幫移近量148mm，頂?shù)装逡平?9mm，0～2.4m淺部巖層離層量僅為3mm，頂板總離層量為13mm，頂板和兩幫的變形量及頂板離層量均較小，從頂板鉆孔窺視及現(xiàn)場拍照可知，注漿加固效果顯著，表明頂板破碎巖體得到了有效加固，圍巖控制效果較好。