弱膠結(jié)軟巖巷道變形破壞特征及注漿加固試驗(yàn)

任 強(qiáng)，羅波遠(yuǎn)，張 闖，周 凱，于鳳海，惠永崗

(1.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266000)

我國(guó)煤炭資源分布不均，北多南少，西多東少，煤礦開采重心逐漸轉(zhuǎn)移至內(nèi)蒙古等西部地區(qū)，內(nèi)蒙古地區(qū)軟巖地層較多，其膠結(jié)性差，強(qiáng)度較低，遇水容易泥化，給巷道支護(hù)造成了很大困難[1-3].

由于弱膠結(jié)軟巖巷道強(qiáng)度較低，其本身的結(jié)構(gòu)性導(dǎo)致無法與硬巖變形特征相適應(yīng)[4-5].針對(duì)弱膠結(jié)軟巖的巷道破壞特征，孟慶彬、喬衛(wèi)國(guó)等[6-7]通過試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段，揭示了弱膠結(jié)軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，指出圍巖遇水軟化、支護(hù)不合理等是巷道變形的主要原因。趙增輝、王渭明等[8-10]通過建立弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖模型總結(jié)了巷道圍巖變形規(guī)律。

同時(shí)，針對(duì)此類圍巖條件的支護(hù)研究也取得了一定進(jìn)展。王渭明等[11]在分析巷道圍巖變形破壞原因的基礎(chǔ)上提出了錨網(wǎng)索耦合支護(hù)方案；郝育喜等[12]針對(duì)沙吉海煤礦巷道大變形情況提出恒阻大變形錨桿+鋼筋網(wǎng)+混凝土噴層+恒阻大變形錨索+底角注漿錨管的支護(hù)方案。同時(shí)錨網(wǎng)噴架支護(hù)結(jié)構(gòu)、二次錨網(wǎng)噴+預(yù)應(yīng)力錨索等技術(shù)，新型聚合物噴層等支護(hù)方法[13-15]也被應(yīng)用于弱膠結(jié)軟巖巷道的支護(hù)中，并取得較好的現(xiàn)場(chǎng)效果。

本文以某礦11301輔運(yùn)順槽為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)巷道圍巖變形破壞情況，分析巷道變形特征，并在此基礎(chǔ)上確定合理的支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)措施，對(duì)巷道變形進(jìn)行控制，保證安全回采。

1 工程地質(zhì)概況

某礦首采工作面為11301工作面，煤層厚度約為4.2 m，埋深為460 m.布置方式為雙巷掘進(jìn)，共掘4條巷道，分別為11301輔運(yùn)順槽、11301膠運(yùn)順槽、11301回風(fēng)順槽及11302回風(fēng)順槽，具體工程情況見圖1.

圖1 現(xiàn)場(chǎng)工程圖

11301輔運(yùn)順槽為3.6 m×5.2 m的矩形，根據(jù)地質(zhì)鉆孔得到11301輔運(yùn)順槽附近巖層柱狀圖(圖2)，其中砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度較低，承載力差，遇水易泥化，單軸抗壓強(qiáng)度平均為18.45 MPa，屬于弱膠結(jié)軟巖。

圖2 巖層柱狀圖

11301輔運(yùn)順槽采用錨桿+錨索+錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，開采幫采用d20 mm×2 400 mm玻璃鋼錨桿，非開采幫采用d20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿，間距均為800 mm，頂板錨桿采用螺紋鋼錨桿，間距為700 mm，錨索只在頂板布置，布置方式為“3-2-3”，長(zhǎng)度為7.3 m.開采幫和非開采幫分別采用鋼筋網(wǎng)和塑料網(wǎng)。巷道具體支護(hù)圖見圖3.

圖3 巷道支護(hù)斷面圖

2 弱膠結(jié)軟巖巷道變形特征

針對(duì)11301輔運(yùn)順槽巷道變形破壞情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，具體巷道破壞形式見圖4.

圖4 11301輔運(yùn)順槽頂板破裂形態(tài)圖

由圖4可知，巷道頂板整體下沉較為嚴(yán)重，在非開采幫附近變形尤為劇烈，頂板錨桿隨巖體下沉而伸長(zhǎng)，錨固作用效果不佳。同時(shí)在開采幫和非開采幫靠近頂板的肩部均出現(xiàn)一定程度變形鼓出。根據(jù)11301輔運(yùn)順槽附近煤巖分布及工程地質(zhì)特性分析，巷道整體頂板下沉主要原因?yàn)橄锏理敯迦跄z結(jié)砂質(zhì)泥巖分布較多，導(dǎo)致巷道頂板強(qiáng)度不夠，承載力較低，容易出現(xiàn)破裂及離層等破壞現(xiàn)象；巷道頂板在兩肩處下沉更為劇烈可能是由于巷道形狀等因素影響，導(dǎo)致巷道兩肩處于應(yīng)力集中位置，同時(shí)巷道超寬導(dǎo)致錨索不能有效進(jìn)行頂板控制。

11301輔運(yùn)順槽頂板下沉嚴(yán)重，影響正?；夭?，甚至存在塌冒風(fēng)險(xiǎn)，因此針對(duì)該順槽的頂板補(bǔ)強(qiáng)控制也尤其重要。調(diào)研發(fā)現(xiàn)11301輔運(yùn)順槽頂板裂隙較多，且容易出現(xiàn)破裂帶，未進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)之前對(duì)巷道頂板進(jìn)行鉆孔電視探測(cè)，具體破裂分布見圖5.

圖5 頂板巖層破裂分布示意圖

針對(duì)巷道頂板較為破碎、破裂帶分布較廣的特點(diǎn)，對(duì)11301輔運(yùn)順槽頂板進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),以對(duì)頂板弱膠結(jié)巖石進(jìn)行固結(jié)，提高頂板整體承載力[16-18]，發(fā)揮錨桿、錨索對(duì)頂板的控制作用，相比較于其他錨索單柱等補(bǔ)強(qiáng)手段能夠更加有效控制頂板下沉變形。

3 注漿加固試驗(yàn)研究

3.1 注漿區(qū)域

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)11301輔運(yùn)順槽頂板下沉破壞情況，結(jié)合注漿施工相關(guān)要求，選擇注漿區(qū)域在一聯(lián)巷和二聯(lián)巷之間，見圖6.由于順槽頂板圍巖巖性較差，注漿壓力達(dá)到一定值時(shí)才能起到好的效果，因此，為防止注漿過程中發(fā)生頂板塌冒，注漿試驗(yàn)段選擇在單體補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)區(qū)域。此處頂板沿非開采幫開裂形成破裂帶，采用單體支柱加頂梁補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

圖6 注漿區(qū)域示意圖

3.2 注漿方案設(shè)計(jì)

注漿支護(hù)設(shè)計(jì)要求注漿漿液擴(kuò)散半徑相交，考慮到順槽頂板破壞狀況、裂隙分布特征、巷道斷面尺寸、漿液擴(kuò)散半徑及注漿壓力等因素，采用淺部多孔、深部少孔的鉆孔布置方式。其中，淺部鉆孔間排距為1.25 m×1.25 m，孔深3.0 m；深部鉆孔間排距為2.6 m×2.6 m，孔深5.5 m，具體注漿孔設(shè)計(jì)圖見圖7.

圖7 11301輔運(yùn)順槽注漿鉆孔布置圖

3.3 頂板注漿支護(hù)效果評(píng)價(jià)

采用鉆孔成像技術(shù)對(duì)頂板巖層漿液分布情況進(jìn)行探測(cè)分析，結(jié)合錨索支護(hù)效果進(jìn)行注漿試驗(yàn)支護(hù)效果綜合評(píng)價(jià)。

1)頂板漿液分布特征。

通過鉆孔電視對(duì)頂板進(jìn)行鉆孔窺探，觀測(cè)注漿效果。鉆孔探測(cè)孔應(yīng)在巷道頂板進(jìn)行分散分布，具體鉆孔位置見圖8，位于巷道頂板中部。

圖8 探測(cè)鉆孔布置位置圖

通過鉆孔成像可以清晰觀測(cè)到漿液充填離層破裂區(qū)，見圖9.

圖9 1#探孔鉆孔成像截圖

鉆孔探測(cè)后頂板漿液分布見圖10.順槽中部頂板巖層離層破裂較為嚴(yán)重，砂質(zhì)泥巖層中裂隙、離層較多；注漿后漿液分布區(qū)域主要集中于頂板巖層1.5～5.0 m，該范圍亦在孔口管端部與注漿鉆孔底部；但頂板上方1.5 m范圍內(nèi)的淺部巖層可見漿液相對(duì)較少，分析原因可能是孔口管封堵效果不好，注漿壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，不能有效填充密實(shí)離層破裂。

圖10 注漿試驗(yàn)段頂板漿液分布示意圖

整體上漿液充填效果較好，能夠?qū)⒋蟛糠至严都半x層充滿，提高頂板整體完整性。

2)注漿后頂板錨固質(zhì)量。

注漿過程中，漿液沿錨桿、錨索桿體流出，對(duì)錨桿(索)桿體與鉆孔縫隙進(jìn)行了封堵，等效提高了錨桿(索)的錨固長(zhǎng)度，從而提高錨桿(索)的極限拉拔力。因此，對(duì)注漿區(qū)域錨索進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，測(cè)試其拉拔力情況，從而間接對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，頂板錨索拉拔力測(cè)試結(jié)果見表1.

表1 注漿區(qū)錨索拉拔力統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，3組錨索在拉伸量為0時(shí)迅速達(dá)到拉拔力設(shè)計(jì)值，錨固質(zhì)量有所提升。拉拔力平均值為245.7 kN，整體來說，巷道頂板錨固質(zhì)量在注漿后有所提高。

4 結(jié) 論

本文在分析11301輔運(yùn)順槽工程地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，分析了巷道頂板破壞特征并提出了注漿補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)，得到的結(jié)論如下：

1)通過對(duì)11301輔運(yùn)順槽進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)巷道頂板整體呈現(xiàn)下沉破壞特征，在頂板肩部下沉程度尤為嚴(yán)重，巷道兩幫靠近頂板處也發(fā)生一定程度鼓出；頂板破裂區(qū)分布較多，易發(fā)生破裂離層導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重。

2)針對(duì)11301輔運(yùn)順槽的破壞特征及支護(hù)方式，對(duì)該順槽340—390排錨桿位置處采用淺部多孔、深部少孔的鉆孔布置方式進(jìn)行注漿加固補(bǔ)強(qiáng)，每個(gè)斷面打3個(gè)注漿孔，分別位于頂板中部及巷肩處。

3)利用鉆孔探測(cè)及錨固質(zhì)量等手段對(duì)11301輔運(yùn)順槽注漿加固段進(jìn)行支護(hù)效果評(píng)價(jià)，得出注漿后在頂板中部起到了充填離層破裂區(qū)效果，但頂板上方1.5 m范圍內(nèi)的淺部巖層可見漿液相對(duì)較少，注漿后錨固效果相較之前有較好提升。