厚煤層破碎圍巖巷道注漿加固分析

鈕澤東

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司大同市青磁窯煤礦，山西 大同 037000）

在煤炭地下開采過程中，厚煤層破碎圍巖巷道必須做好巷道支護(hù)和加固工作，保證巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全生產(chǎn)[1]。由于受巷道圍巖組成、采掘工作、圍巖壓力等因素的影響，圍巖內(nèi)部裂隙紋理發(fā)育，存在軟弱結(jié)構(gòu)面等會導(dǎo)致巷道圍巖破碎。如果不采取措施對圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，巷道圍巖變形會不斷增加，造成支護(hù)困難，甚至造成巷道結(jié)構(gòu)破壞[2]，產(chǎn)生安全事故。注漿加固可以填充巖體內(nèi)部的空隙和空洞，固化后有效提高圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性[3]，保證施工安全。山西大同市青磁窯煤礦11#層406 盤區(qū)8614 工作面在回采施工時，由于壓力過大導(dǎo)致頂板圍巖破碎，擬采用萬固脂進(jìn)行注漿加固。

1 概況

8614 工作面位于11#層406 盤區(qū)中南部，東部為8616 工作面實體煤，南部為鐵路保安煤柱，西部為8206 采空區(qū)，北部為406 盤區(qū)大巷，上覆7#層、3#層、2#層采空區(qū)。8614 工作面所采煤層為11#煤層，煤層總體為單斜構(gòu)造，西高東低，以東南部最低。巷道開挖后，發(fā)現(xiàn)8614 工作面有六條斷層，落差在0.15～1.00 m 之間，傾角在48°～70° 之間。回采至334 m 時，工作面順槽頂板破碎。為了控制頂板變形，采用萬固脂注漿加固的方式進(jìn)行加固，以保證施工安全。

2 注漿加固方案

2.1 注漿材料選擇

8614 工作面順槽注漿加固采用化學(xué)漿液—萬固脂，萬固脂粘度低，滲透性好，采用高壓灌注可有效填充細(xì)小縫隙，可人為控制凝固時間，注漿后體積膨脹可有效填充孔隙，漿液結(jié)石率高，固結(jié)強(qiáng)度較大，施工工藝簡單，但價格較高，通常只用于需要進(jìn)行快速加固的部位[4]。注漿壓力應(yīng)結(jié)合圍巖滲透性、注漿材料性能等指標(biāo)確定，較高的注漿壓力有利于漿液擴(kuò)散，但壓力過大也會導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)劈裂效應(yīng)，甚至造成圍巖結(jié)構(gòu)破壞。通常狀況下，注漿壓力不得超過2 MPa，圍巖破碎、裂隙發(fā)育區(qū)域注漿壓力不得超過1 MPa，裂縫開度不大時注漿壓力控制在1～2 MPa[5]。本項目注漿壓力按1 MPa 控制，并結(jié)合工作面頂板圍巖實際情況適當(dāng)調(diào)整注漿壓力。

2.2 注漿量

為了保證注漿后圍巖孔隙能夠填充滿漿液，一方面要保證注漿壓力，另一方面要控制注漿量。在規(guī)定壓力下，注漿到圍巖不吃漿為止，通常以漿液不繼續(xù)滲透，注漿孔內(nèi)充滿注漿液為準(zhǔn)。單個注漿孔注漿量Q采用以下公式計算：

Q=ALπR2βλ

式中：A代表漿液消耗系數(shù)，取值1.2～1.5；L代表孔深范圍內(nèi)加固區(qū)厚度，m；R代表漿液擴(kuò)散半徑，m；β代表圍巖的裂隙率，取值為1%～5%；λ代表漿液的填充系數(shù)，取值為0.6～1.0。

2.3 注漿方案

為了有效控制巷道頂板變形，填充圍巖孔隙，固結(jié)圍巖結(jié)構(gòu)，采用淺部注漿和錨索注漿的方式進(jìn)行加固。頂板布置淺部注漿孔兩個，間距為1500 mm，排距為1800 mm，淺部注漿孔垂直于頂板布置，孔深3000 mm，孔徑為42 mm；錨索注漿孔三個，布置間距為1250 mm，排距為1800 mm，中部錨索注漿孔垂直于頂板，兩側(cè)錨索注漿孔與水平方向夾角為70°，孔深7500 mm，孔徑為32 mm。淺部注漿管為Φ20 mm×2000 mm，錨索采用Φ22 mm×7800 mm 中空注漿錨索。注漿孔布置如圖1。

圖1 巷道頂板注漿孔布置圖

2.4 巷道注漿加固技術(shù)

（1）鉆孔。采用7655 型鉆機(jī)、Φ42 mm 風(fēng)鉆鉆頭鉆孔，鉆孔后對孔徑、孔深等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢驗，合格后送入注漿管。

（2）封孔。采用萬固脂和棉紗封孔，將棉紗纏繞到注漿管上部，澆上萬固脂，然后將注漿管送入注漿孔內(nèi)，萬固脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后體積膨脹，將注漿管固定在注漿孔內(nèi)。注漿管固定長度不得低于

300 mm。

（3）注漿。萬固脂化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定后，將注漿管內(nèi)的清水排除，連接管路進(jìn)行注漿。注漿過程中嚴(yán)格控制注漿壓力，當(dāng)壓力超過2 MPa 時應(yīng)立即停止注漿。一個注漿孔注漿完成后，關(guān)閉截止閥，待注漿孔內(nèi)漿液凝固后方可拆下截止閥。頂板注漿順序為從兩側(cè)向中間，從圍巖穩(wěn)定性較好的區(qū)域向較差的區(qū)域注漿。注漿過程中必須做好安全防護(hù)，工作人員不得站在空頂下作業(yè)。注漿過程中嚴(yán)格控制注漿壓力，根據(jù)頂板破損程度、間隙調(diào)整注漿量，如局部漏漿采用棉紗、木楔封堵。

3 頂板注漿效果分析

3.1 圍巖應(yīng)力分布情況分析

為了檢驗頂板注漿加固效果，對加固前后圍巖的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布情況進(jìn)行檢測和統(tǒng)計，通過對比分析確定加固效果。分別在加固前后對巷道圍巖應(yīng)力分布情況進(jìn)行觀測，由于巷道頂板和煤柱幫是巷道變形最嚴(yán)重的部位，因此重點對巷道煤柱幫垂直應(yīng)力和巷道頂板水平應(yīng)力觀測結(jié)果進(jìn)行分析。收集數(shù)據(jù)繪制加固前后巷道煤柱幫垂直應(yīng)力和頂板水平應(yīng)力分布曲線如圖2、圖3。

圖2 加固前后煤柱幫垂直應(yīng)力分布曲線

分析圖2 可知，注漿加固后巷道煤柱幫垂直應(yīng)力明顯提高，說明采用注漿加固提高了巷道圍巖的強(qiáng)度和承載力，圍巖淺部圍巖承載力提高也使深部圍巖強(qiáng)度和承載力得到了提升。與加固前相比，距巷道表面0～11 m 圍巖垂直應(yīng)力增加明顯，說明淺部圍巖加固效果較好。

分析圖3 可知，注漿加固后巷道頂板淺部水平應(yīng)力升高明顯，說明頂板淺部加固效果較好，圍巖承載力得到了明顯提高。尤其是采用注漿錨索加固效果更好，頂板深部的圍巖穩(wěn)定性也得到了明顯提升。

圖3 加固前后巷道頂板水平應(yīng)力分布曲線

3.2 礦壓觀測結(jié)果分析

注漿加固后對巷道頂板和兩幫的變形情況進(jìn)行觀測，分析巷道周邊相對位移的變化趨勢，進(jìn)而分析巷道注漿加固后的穩(wěn)定性。在8614 工作面回采期間，對巷道頂板下沉量和兩幫移近量進(jìn)行觀測，收集數(shù)據(jù)繪制圍巖變形曲線如圖4。

圖4 注漿加固后巷道圍巖變形曲線

分析圖4 可知，注漿加固后頂板下沉量和兩幫移近量明顯下降，頂板下沉量最大值為395 mm，兩幫移近量最大值為658 mm，巷道變形滿足回采施工的要求。注漿加固前頂板下沉量超過700 mm，兩幫移近量超過1200 mm，說明注漿加固后圍巖穩(wěn)定性得到了明顯提高。

4 結(jié)語

（1）對比分析注漿加固前后巷道圍巖應(yīng)力分布情況，加固后巷道淺部圍巖應(yīng)力增加明顯，淺部圍巖加固效果明顯，結(jié)合錨索注漿加固可進(jìn)一步擴(kuò)展加固范圍，提高巷道圍巖的整體穩(wěn)定性。

（2）分析巷道頂板下沉量和兩幫移近量觀測結(jié)果，得出注漿加固后變形量得到了有效控制，其中頂板下沉量不超過400 mm，兩幫移近量不超過700 mm，說明注漿加固后圍巖變形得到了有效控制，圍巖穩(wěn)定性明顯提高，注漿加固達(dá)到了預(yù)期效果。