沁水東大煤礦破碎圍巖巖巷注漿加固技術(shù)應(yīng)用研究

劉戰(zhàn)方

（晉城金成礦山建筑工程有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

沁水東大煤礦3101 工作面底板標(biāo)高+95～+53.5 m，3101 工作面底抽巷布置于3 號煤層底板巖層中，開口方位角為115°56′07″，設(shè)計長度為1 668.357 m，坡度根據(jù)煤層變化適當(dāng)調(diào)整，采用EBZ-200H 懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)。根據(jù)2#聯(lián)絡(luò)巷和中央輔運(yùn)巷大巷實測探煤記錄推斷巷道頂板離3 號煤層底板約15～20 m，水平方向，內(nèi)錯3101 輔運(yùn)順槽15 m 布置。巷道頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為互層。四鄰掘進(jìn)情況：東北方向為3101 工作面輔運(yùn)順槽，西南方向為3101 工作面輸送機(jī)順槽，西北方向為中央輔運(yùn)大巷。

2 原有支護(hù)及變形特征

2.1 原有支護(hù)

3101 底抽巷斷面形狀為直墻半圓拱形，原支護(hù)方式為“錨網(wǎng)索+表面噴漿”。巷道設(shè)計寬度4.6 m，高3.7 m，頂板采用Ф22 mm×2400 mm 左旋全螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1000 mm。幫錨桿規(guī)格為Ф20 mm×2200 mm 左旋全螺紋鋼，間排距1100 mm×1000 mm，每側(cè)兩根，靠上一根垂直煤幫沿水平方向施工，下部一根垂直煤幫與水平方向呈15°夾角施工。頂板及兩幫錨桿均采用樹脂加長錨固方式。頂板錨索采用直徑19.8 mm 的鋼絞線，長度為8300 mm，每排布置3 根錨索，間排距為1600 mm×2000 mm，采用3 支樹脂錨固劑端錨，兩幫錨桿每排2 根，間排距1100 mm×1550 mm，巷道表面噴射120 mm 厚C20 混凝土，底板澆筑150 mm厚C20 混凝土。錨桿、錨索詳細(xì)布置方式如圖1。

圖1 3101 底抽巷原支護(hù)方案（mm）

2.2 變形情況

3101 底抽巷自開挖后，巷道表層噴漿多處出現(xiàn)開裂、墜包、脫落，頂板多處下沉、冒落，幫部片幫內(nèi)鼓，巷道斷面整體收斂破壞，嚴(yán)重影響其正常使用。在距開口30 m 處進(jìn)行鉆孔窺視，對3101 底抽巷圍巖塑性破壞范圍實測，典型圍巖破壞情況如圖2。距巷道表面3.0 m 深度范圍內(nèi)，圍巖破損嚴(yán)重，隨著深度的增大，破碎程度有所下降；深度3.0～6.5 m 范圍，圍巖內(nèi)存在多處垂直裂隙；當(dāng)深度達(dá)到7.0 m 以上時，圍巖完整性較好。由此說明，原有支護(hù)方案條件下，圍巖松動破碎深度約為3.0 m，裂隙發(fā)育深度范圍3.0～7.0 m，7 m 以上深度范圍內(nèi)圍巖完整穩(wěn)定。

圖2 松動圈范圍實測

3 注漿加固方案模擬研究

采用FLAC3D軟件建立模型[1-2]，模擬分析圍巖注漿加固技術(shù)的應(yīng)用效果及可行性。模型尺寸為50 m×50 m×33 m，巷道開挖斷面為直墻半圓拱，巷道周邊圍巖建立模型時網(wǎng)格加密處理，模型底面和四周施加位移約束條件，頂面施加12.5 MPa 垂直應(yīng)力，測壓系數(shù)取1.3。參閱相關(guān)研究成果[3-4]，其中注漿漿液的水灰比是對注漿加固效果影響最大的因素，故首先對漿液水灰比的注漿效果進(jìn)行模擬分析。取漿液水灰比分別為 0.6、0.7、0.8、0.9。相關(guān)試驗研究表明，圍巖注漿后其內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量均有所提升。為便于模擬分析，設(shè)定漿液水灰比為0.6 注漿后巷道圍巖內(nèi)聚力提高1 倍為C，內(nèi)摩擦角增大8°為φ，彈性模量提高0.5 倍為E。水灰比為0.7、0.8、0.9 時，內(nèi)聚力分別為0.9C、0.8C、0.7C，彈性模量和摩擦角同理。在原支護(hù)條件下及不同水灰比漿液注漿加固后巷道圍巖塑性破壞情況模擬結(jié)果如圖3（a）～（e），不同水灰比漿液注漿加固后巷道表面最大位移量如圖3（f）。

圖3 圍巖塑性區(qū)分布及表面位移量變化規(guī)律

由圖3 所示結(jié)果看出，未注漿條件下，頂板巖層塑性破壞深度達(dá)到3.0 m，幫部破壞深度3.5 m，底板破壞深度3.0 m。頂板及兩幫圍巖塑性破壞深度均已大于錨桿有效支護(hù)范圍（頂板錨桿長度2.4 m，幫錨桿2.2 m），表明原有支護(hù)方案無法控制圍巖的松動破壞，一定程度上證明了本次模型的合理性。各水灰比條件下注漿后，巷道圍巖塑性破壞范圍均有不同程度的減小。圍巖塑性破壞深度與水灰比成正相關(guān)，隨著水灰比的增大，頂板及兩幫圍巖塑性破壞深度增大。水灰比由0.6 增大至0.8，圍巖塑性破壞深度及巷道表面變形量無顯著增大；當(dāng)水灰比由0.8 增大至0.9，巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r塑性破壞深度均顯著增大，且巷道頂板下沉量及底板底鼓量也明顯增大，巷道圍巖塑性破壞深度及巷道表面變形量在漿液水灰比為 0.8 時產(chǎn)生突變。漿液水灰比小于0.8 時，巷道圍巖塑性破壞范圍小，圍巖穩(wěn)定量較好，綜合考慮經(jīng)濟(jì)等因素，確定注漿最佳水灰比為0.8。

4 注漿加固技術(shù)應(yīng)用及效果分析

4.1 3101 底抽巷注漿加固方案

3101 底抽巷采用全斷面淺孔注漿+深孔注漿聯(lián)合加固方案。首先對巷道表面破壞部分?jǐn)U刷、更換錨桿、錨索托盤，然后重新噴射C20 混凝土。采用錨桿鉆機(jī)施工注漿孔，鉆孔直徑約42 mm，淺部注漿孔深度3.0 m，深部注漿孔深度7.0 m。采用埋孔口注漿方式，注漿管直徑28 mm，淺部注漿管長約2.0 m，深部注漿管長約6.0 m。采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿由普通425 硅酸鹽加水混合而成，水灰比0.8，水玻璃漿液濃度48～55°Be′，兩種漿液比例約為1:1。淺部注漿孔每排6 個，深部注漿孔每排7 個，間距2.0 m，排距4.0 m，淺部、深部注漿孔交替布置，布置詳情如圖4。注漿時按“先淺孔，后深孔，先下后上，先幫后頂”的順序施工，淺孔注漿壓力控制在2～3 MPa，深部注漿壓力控制在3～5 MPa。

圖4 注漿孔布置示意圖（mm）

4.2 注漿加固效果分析

3101 底抽巷采用上述方案注漿加固后，巷道表面位移量變化規(guī)律如圖5。注漿加固40 d 后，頂板及兩幫相對移近量趨于穩(wěn)定，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在45～62 mm 之間，兩幫移近量穩(wěn)定在70～85 mm 之間，均在工程設(shè)計誤差允許范圍之內(nèi)。巷道圍巖整體穩(wěn)定，表面噴層無明顯開裂，可認(rèn)為加固方案支護(hù)效果理想。

圖5 巷道表面變形規(guī)律

5 主要結(jié)論和建議

通過對沁水東大煤礦3101 底抽巷在原支護(hù)方案條件下圍巖鉆孔窺視，松動破碎深度約3.0 m，裂隙發(fā)育深度范圍3.0～7.0 m，提出采用注漿技術(shù)加固圍巖。經(jīng)數(shù)值模擬分析表明，注漿加固可有效減小巷道圍巖塑性破壞深度，提高圍巖穩(wěn)定性，漿液最佳水灰比約為0.8?，F(xiàn)場應(yīng)用后進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測，頂?shù)装逡平孔畲笾当３衷?5～62 mm，兩幫移近量最大值保持在70～85 mm。注漿加固方案有效地控制了巷道表面的變形破壞，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供保障。