21026 工作面破碎圍巖巷道注漿加固工藝研究

李曉波

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺礦，山西 大同 037000）

1 概況

四臺礦21026 工作面位于410 盤區(qū)，開采的14#煤層厚度為7.8 m，傾角為3°～11°。該煤層基本頂為粉粒砂巖，直接頂為石灰?guī)r，偽頂為泥質(zhì)灰?guī)r。21026 工作面長度為1345 m，回采巷道為4.5 m×3.2 m 矩形，回采巷道圍巖巖性相對較差，掘進(jìn)回采作業(yè)產(chǎn)生的動壓影響使得巷道圍巖穩(wěn)定性差，破碎程度較為嚴(yán)重。

2 21026 工作面掘進(jìn)巷道圍巖應(yīng)力與變形規(guī)律

21026 工作面回采巷道掘進(jìn)時(shí)對巷道圍巖應(yīng)力和變形規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制了應(yīng)力等值線圖1（左）和不同采空區(qū)距離下的垂向應(yīng)力值曲線圖1（右）。

圖1 21026 工作面掘進(jìn)巷道圍巖應(yīng)力等值線（左）和垂向應(yīng)力曲線（右）圖

通過應(yīng)力等值線圖可以看出，隨著掘進(jìn)作業(yè)的實(shí)施，巷道圍巖失去了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，在垂向上應(yīng)力發(fā)生了不同程度的變化。通過對比原巷道應(yīng)力資料，掘進(jìn)作業(yè)后巷道應(yīng)力變化存在增大區(qū)和降低區(qū)。從垂向應(yīng)力曲線圖上可以看出，巷道頂部應(yīng)力集中最大值達(dá)到30 MPa 左右，對比原巷道應(yīng)力數(shù)據(jù)，增加了約5 MPa；巷道幫應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在距離采空區(qū)25～30 m 之間，應(yīng)力集中最大值為18 MPa 左右，對比原巷道應(yīng)力數(shù)據(jù)，增加了約2.4 MPa。由此看出，掘進(jìn)作業(yè)導(dǎo)致的巷道頂部應(yīng)力集中變化大于巷道幫集中應(yīng)力變化。

監(jiān)測掘進(jìn)巷道圍巖垂向變形以及不同位置的巷道頂?shù)装遄冃尉嚯x，繪制巷道變形等值線圖2（左）和變形值曲線圖2（右）。

圖2 21026 工作面掘進(jìn)巷道頂?shù)装遄冃蔚戎稻€（左）和變形值曲線（右）圖

掘進(jìn)巷道圍巖變形的直觀表現(xiàn)為頂板出現(xiàn)下沉移位，底板出現(xiàn)底鼓變形，巷道兩幫則為移近量。掘進(jìn)作業(yè)導(dǎo)致頂板下沉最大和底板底鼓量最大處均為巷道中部，頂板下沉最大值為160 mm 左右，底板最大底鼓量為50 mm 左右，均出現(xiàn)在巷道表面。隨著巷道表面內(nèi)部深入，頂?shù)装遄冃瘟慷荚跍p小，在距離表面4 m 的巷道內(nèi)巖層，變形量趨于穩(wěn)定。結(jié)合等值線中的“0”變形線位置，說明掘進(jìn)巷道整體已出現(xiàn)了微量下沉。

3 21026 工作面巷道注漿加固工藝參數(shù)確定

最常見的深淺注漿加固工藝是對巷道頂板進(jìn)行淺部注漿管注漿和深部錨索注漿，對巷道兩幫則采用錨索注漿加固[1-6]，注漿參數(shù)是工藝實(shí)施的關(guān)鍵。

（1）注漿材料配比。采用高水速凝材料作為注漿液主要材料，其中高水速凝的主要成分是硫鋁酸鹽水泥熟料、石膏、石灰、速凝劑、懸浮劑等，水灰比為1.6:1，形成的漿液固結(jié)體性能能夠穩(wěn)定工作面掘進(jìn)巷道應(yīng)力和形變。

（2）注漿壓力。注漿壓力需要根據(jù)圍巖性質(zhì)，即巖層的裂隙情況、巖層的滲透性質(zhì)、要注漿的深度以及注漿方向和漿液固液比等確定。通過試驗(yàn)，21026 工作面圍巖巖層在存在明顯的裂縫情況下，注漿壓力可以選擇1.8～2.2 MPa，裂縫不明顯的情況下，注漿壓力選擇0.8～1.0 MPa，能夠?qū)⒆{液穩(wěn)定輸送到巖層內(nèi)部。對于特殊破碎程度嚴(yán)重的頂?shù)装?，最大注漿壓力不能超過3.5 MPa。

（3）注漿量。注漿量確定最直接的方法是，對圍巖裂縫或注漿管注漿時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)和注漿壓力下出現(xiàn)不再吃漿時(shí)即認(rèn)為注漿完成。但為了一次性將漿液配置好，需要在工藝實(shí)施前對注漿量有大體估算，估算公式為：

式中：Q為估算的注漿量，m3；A為漿液的消耗系數(shù)，取1.3；L為擬加固的深度，m；R為注入裂隙后漿液的擴(kuò)散范圍半徑，m；B為圍巖的裂縫率，取3.5%；C為漿液的充填系數(shù)，取0.8。

（4）注漿孔設(shè)置與孔深。根據(jù)21026 工作面掘進(jìn)巷道巖層性質(zhì)，巷道頂部寬度方向布置2 個(gè)淺部注漿孔，孔徑為42 mm，孔深2500 mm，孔間距為1500 mm，排間距為1600 mm；3 個(gè)注漿錨索孔，孔徑為32 mm，孔深8000 mm，孔間距為1250 mm，排間距為1600 mm，中間的注漿錨索孔垂直于頂板，兩邊的注漿錨索孔與頂板成70°角度；巷道兩幫分別布置2 個(gè)錨索注漿孔，間距1100 mm，孔方向與水平方向成10°角度，孔徑為32 mm，孔深5000 mm，孔距1400 mm，同樣與水平方向成10°角度，排間距均為1600 mm。注漿孔布置完成后，在頂部淺部注漿孔內(nèi)裝設(shè)注漿管，深部錨索注漿孔內(nèi)裝設(shè)中空注漿錨索，兩幫注漿孔內(nèi)裝設(shè)中空注漿錨索。注漿孔布置圖如圖3。

圖3 21026 工作面掘進(jìn)巷道注漿孔設(shè)置示意圖（mm）

4 21026 工作面巷道注漿加固工藝實(shí)施[7-10]

（1）頂部淺部注漿加固工藝實(shí)施

首先按照巷道頂部寬度方向布置2 個(gè)淺部注漿孔，孔徑為42 mm，孔深2500 mm，孔間距為1500 mm，排間距為1600 mm。采用6433 型風(fēng)鉆安裝Φ42 mm 鉆頭進(jìn)行打孔作業(yè)，然后向注漿孔內(nèi)淋上聚氨酯和漿液混合物，完成后將Φ42 mm×2500 mm 的注漿管插入到注漿孔內(nèi)，插入長度不能小于200 mm，利用注漿泵連接注漿軟管向插入到注漿孔的注漿管進(jìn)行注漿。實(shí)時(shí)監(jiān)測注漿管內(nèi)壓力，待壓力達(dá)到上文說明的注漿壓力時(shí)，關(guān)閉注漿閥門，完成注漿。

（2）中空注漿錨索注漿加固工藝實(shí)施

首先采用氣動式頂錨桿鉆機(jī)以及Φ32 mm 鉆頭按照上文提到的錨索排布方式進(jìn)行打孔作業(yè)，兩幫注漿孔可以與綜采隊(duì)配合穿插作業(yè)。注漿錨索選用K2360 藥卷實(shí)現(xiàn)錨固，將藥卷綁定在錨索上，通過攪拌機(jī)將錨索推送到注漿孔底部。送入注漿孔的藥卷凝固約1 h 后，進(jìn)行錨索托盤和鎖具的安裝，采用張拉千斤頂進(jìn)行錨索拉伸。實(shí)時(shí)監(jiān)測錨索張力，按照錨索說明張力達(dá)到48 MPa 時(shí)，完成錨索拉伸，拆除張拉千斤頂設(shè)備。此時(shí)要求錨索在注漿孔外的長度不能小于200 mm，以便錨索固定。固定錨索選用8#鉛絲，將錨索與金屬網(wǎng)相連，鉛絲在錨索和金屬網(wǎng)上的纏繞圈數(shù)不低于5 圈。

5 應(yīng)用效果

為了探究21026 工作面掘進(jìn)巷道注漿加固工藝實(shí)施效果，對注漿后的巷道圍巖深部進(jìn)行觀察。選用機(jī)電科現(xiàn)有的ZKXG100 型礦用鉆孔窺視儀對巷道頂部不同深度的注漿圍巖加固情況進(jìn)行觀測，如圖4。

分析探孔效果圖，圖中黑色部分為巖層中的煤炭，白色部分為注入圍巖內(nèi)的注漿液凝固后的狀態(tài)，灰色部分則是巷道頂板的巖層。0.5 m、1.0 m 和2 m 深處照片顯示圍巖的破碎程度非常嚴(yán)重，白色即注漿液則很好地填充到了巖層和煤層的破碎裂縫中，且結(jié)合牢固穩(wěn)定，探孔內(nèi)表面較為光滑，進(jìn)一步說明注漿液固結(jié)效果明顯；4.0 m 以下的照片看出巖層占比逐漸增大，深部的巖層破壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于淺部的，且大部分裂縫規(guī)則，白色注漿液也能充分填充，說明注漿液能夠?qū)ι畈苛芽p起到加固作用；8.0 m 處巖層穩(wěn)定性好，裂縫少，因此注漿液沒有達(dá)到該深度?？傊?，通過探孔觀察可以看出，注漿加固工藝能夠?qū)\部和深部巷道圍巖的破碎裂縫進(jìn)行填充，且加固效果顯著。

6 結(jié)語

針對四臺礦21026 工作面掘進(jìn)回采作業(yè)動壓導(dǎo)致巷道圍巖破碎程度嚴(yán)重的問題，進(jìn)行注漿加固工藝研究，形成以下結(jié)論：

（1）21026 工作面掘進(jìn)作業(yè)后巷道應(yīng)力變化存在增大區(qū)和降低區(qū)，巷道頂部應(yīng)力集中變化大于巷道幫集中應(yīng)力變化；巷道頂板下沉最大和底板底鼓量最大處均為巷道中部，掘進(jìn)巷道整體已出現(xiàn)了微量下沉。

（2）注漿加固工藝注漿材料采用高水速凝材料，圍巖巖層存在明顯裂縫處注漿壓力選擇1.8～2.2 MPa，裂縫不明顯處，注漿壓力選擇0.8～1.0 MPa，對于特殊破碎程度嚴(yán)重的頂?shù)装?，最大注漿壓力不能超過3.5 MPa。

（3）頂部淺部注漿工序?yàn)樽{孔布置、封孔、注漿；中空注漿錨索注漿加固工藝步驟為打錨索注漿孔、上注漿錨索、張拉錨索和錨索注漿，均需在注漿半小時(shí)后確定注漿液固定后再拆除注漿設(shè)備，完成注漿。

（4）為了探究注漿加固工藝實(shí)施效果，選用ZKXG100 型礦用鉆孔窺視儀對巷道頂部0.5～8.0 m注漿圍巖加固情況進(jìn)行觀測。照片顯示探孔內(nèi)表面較為光滑，說明注漿液填充效果顯著，圍巖固結(jié)穩(wěn)定效果明顯。