孤島工作面非等寬區(qū)段煤柱錨注加固技術(shù)應(yīng)用

周 賢，常 雁，魏全德，張立明，王艷飛，陳 洋

(1.陜西華彬煤業(yè)股份有限公司下溝煤礦，陜西 彬州 713500；2.山東安科興業(yè)智能裝備有限公司，山東 濟南 250119；3.北京安科興業(yè)礦山安全技術(shù)研究院有限公司，北京 102200；4.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 102200；5.山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟南 250014)

近年來，隨著東部礦區(qū)淺部煤炭資源的逐漸枯竭，資源開采呈現(xiàn)出“老礦區(qū)加大深部開采力度，新礦區(qū)逐漸向西部轉(zhuǎn)移”的特征，必然將對礦井工程提出新的挑戰(zhàn)，尤其是軟巖工程支護(hù)難的問題，國內(nèi)主流學(xué)術(shù)將軟巖工程破壞機理分為“軟巖水理作用機理”、“含結(jié)構(gòu)面軟巖非對稱大變形機理”、“深部軟巖巖爆機理”和“高溫、高濕環(huán)境引起深部巖體軟化大變形機理”等方面[1-8]。陜西華彬集團(tuán)下溝煤礦所采4號煤為侏羅系煤層，工作面回采期間存在巷道圍巖破碎嚴(yán)重、變形速度快且變形大等問題。因此，相關(guān)研究人員提出了“錨網(wǎng)梁索噴非對稱耦合支護(hù)技術(shù)”[9]、“錨索桁架和錨桿網(wǎng)組合支護(hù)技術(shù)”[10]、“反底拱處置底板配合注漿加固技術(shù)”[11]、特厚煤層錨-梁-注綜合加固技術(shù)[12]、深部大斷面注漿加固技術(shù)[13]和動壓影響下巷道注漿加固技術(shù)[14，15]應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場并取得了一定的效果。本文以ZF303孤島工作面運輸平巷為工程背景，通過現(xiàn)場試驗、理論分析提出了“錨注加固”技術(shù)并在現(xiàn)場進(jìn)行試驗驗證。

1 工程概況

1.1 試驗地點地質(zhì)條件

下溝煤礦ZF303孤島工作面運輸巷布置在侏羅系地層4號煤中，巷道埋深383～400m，煤層厚度為11.5m，煤層傾角為10°～31°，平均20°，屬于緩斜煤層。根據(jù)ZF303工作面放頂煤過程中現(xiàn)場實際觀察到煤層直接頂易隨著煤體一同垮落，所垮落的巖體在采場中遇水易膨脹，推斷直接頂巖層成分應(yīng)為蒙脫石、高嶺石等膨脹性礦物質(zhì)，該礦物微觀電子易產(chǎn)生負(fù)電性，有較強的水分子吸附能力。ZF303工作面頂?shù)装鍘r性物理力學(xué)參數(shù)見表1。

ZF303孤島工作面北部為ZF304工作面采空區(qū)，南部為ZF302工作面采空區(qū)，工作面周邊位置如圖1所示。由于ZF304工作面與ZF303工作面沿煤層走向非平行布置，導(dǎo)致工作面之間形成“西部寬、東部窄”的非等寬區(qū)段煤柱，寬度為21～85m。

1.2 工作面運輸巷現(xiàn)場支護(hù)情況

ZF303孤島工作面采用走向長壁后退式采煤方法，綜采放頂煤工藝。工作面運輸巷斷面形狀設(shè)計為“矩形”，巷道凈高度3.1m，凈寬度5.4m，采用“錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)”作為初期支護(hù)方式。

1)錨桿支護(hù)。頂板和幫部均選用MSGL-335/22mm×2400mm型左旋螺紋鋼錨桿配合150mm×150mm×10mm的Q235型鋼托盤，采用MSK2335和MSZ2360型樹脂錨固劑實現(xiàn)加長錨固，設(shè)計扭矩200N·m；表面支護(hù)采用長度為5400mm的“W”型鋼帶；間排距為1000mm×800mm。

表1 ZF303工作面頂?shù)装鍘r性物理力學(xué)參數(shù)

圖1 ZF303工作面周邊位置

2)錨索支護(hù)。頂板采用SKP21.8/1860型錨索，設(shè)計長度為7200mm，幫部不施工錨索。錨索張拉強度為2000～2500kN，間排距為1000mm×2000mm。

1.3 工作面運輸巷圍巖松動圈探查

ZF303孤島工作面回采期間，原初期支護(hù)方式明顯不能夠維持巷道穩(wěn)定。為探尋在原初期支護(hù)條件下圍巖破壞情況，采用CXK-7.4型礦用鉆孔成像儀對ZF303孤島工作面運輸巷頂板進(jìn)行了圍巖松動圈探測，探測結(jié)果見表2。

通過圍巖探測結(jié)果可知，ZF303孤島工作面運輸巷在初期支護(hù)條件下，圍巖淺部破碎嚴(yán)重，大體呈現(xiàn)出0～2m的范圍為一般破碎區(qū)，2～4m范圍為裂隙發(fā)育區(qū)(塑性破壞區(qū))，3～10m為完整區(qū)的圍巖破壞規(guī)律。由此可見，原初期支護(hù)無法有效控制支護(hù)范圍內(nèi)圍巖完整性，支護(hù)參數(shù)選擇不盡合理，這也驗證了現(xiàn)場實際。

表2 ZF303孤島工作面運輸巷圍巖松動圈探測結(jié)果

值得注意的是，在探測過程中有兩次發(fā)現(xiàn)ZF303孤島工作面運輸巷10～11.5m范圍內(nèi)存在離層，由此可以判斷出ZF303孤島工作面回采期間離層的存在是導(dǎo)致頂板圍巖整體移近的主要原因。

圖2 傳遞應(yīng)力計算模型

1.4 “非等寬煤柱”力學(xué)失穩(wěn)機理分析

文獻(xiàn)[16]研究表明，采場的基礎(chǔ)應(yīng)力主要是由重力和構(gòu)造應(yīng)力組成，而采場周邊上覆巖層結(jié)構(gòu)運動產(chǎn)生的應(yīng)力是導(dǎo)致區(qū)段煤柱失穩(wěn)的主要力源，在工作面推采至不同時期，力源是不同的。為研究力源的不同而對“非等寬煤柱”是否失穩(wěn)的影響，基于姜福興教授[17]提出的覆巖“載荷三帶”理論。建立工作面初次來壓和工作面“見方”期間的的傳遞應(yīng)力計算模型，如圖2所示。一般巖層運動理論認(rèn)為，采場開采后上覆巖層形成的破裂結(jié)構(gòu)高度為采場短邊的一半。ZF303工作面初次來壓期間僅覆巖結(jié)構(gòu)中的“即時加載帶”垮落，裂隙帶結(jié)構(gòu)僅發(fā)育了10～20m，直至推采至“見方”區(qū)域(150m)覆巖裂隙帶結(jié)構(gòu)達(dá)到最大值，更高位巖層開始運動，見方期間動力顯現(xiàn)強烈，作用在非等寬煤柱上的應(yīng)力較高。

依據(jù)圖2(a)中模型，由力矩平衡方程可推導(dǎo)出應(yīng)力峰值公式(1)：

依據(jù)圖2(b)中模型，由力矩平衡方程可推導(dǎo)出應(yīng)力峰值公式(2)：

式中，M1、M2和M3分別為“即時加載帶”厚度、“延時加載帶”厚度和“靜載帶”厚度，m；α為巖層移動角，(°)；L為工作面傾斜長度，m；q為采場上覆巖層自重應(yīng)力，MPa；γ為巖層容重，kN/m3。

根據(jù)覆巖“載荷三帶”定義，ZF303孤島工作面“即時加載帶”厚度取115m，“延時加載帶”厚度為35m，“靜載帶”厚度為250m；巖層移動角α取72°；工作面傾斜長度L取150m；巖層容重γ取2500kN/m3。將參數(shù)帶入上述公式，分別計算得到ZF303孤島工作面初次來壓期間和“見方”期間的傳遞應(yīng)力峰值分別為8.41MPa和19.6MPa，疊加上覆巖層自重應(yīng)力q=γH得到傳遞后的應(yīng)力峰值分別為18.41MPa和29.6MPa。4號煤層的單軸抗壓強度為11.66MPa，ZF303孤島工作面初次來壓期間和“見方”期間的“非等寬煤柱”承載應(yīng)力比分別為1.58和2.54，由此結(jié)合推采方向可推斷ZF303孤島工作面推采至不同區(qū)域，“非等寬煤柱”應(yīng)力承載值不同，且煤柱尺寸在逐漸減小，承載能力降低是運輸巷產(chǎn)生的變形的重要原因。

1.5 試驗地點存在的工程難題

結(jié)合ZF303運輸巷原支護(hù)方案和圍巖鉆孔窺視結(jié)果，對支護(hù)存在的問題分析如下：

1)ZF303工作面運輸巷沿煤層底板掘進(jìn)，托頂煤，煤質(zhì)松軟，煤層與直接頂過渡段存在離層，說明目前所采用的錨索無法控制煤層與直接頂之間的“弱面”滑移現(xiàn)象。

2)巷道圍巖表面破碎嚴(yán)重并且有繼續(xù)向深部拓展的趨勢，表明錨桿不能夠有效地提供“壓縮拱”力學(xué)結(jié)構(gòu)，不能抑制破碎區(qū)拓展。

3)對錨桿施加的“預(yù)緊力”偏低，無法有效地生成“壓縮拱”圍巖結(jié)構(gòu)。

4)圍巖本身軟弱，承載能力有限，在較小的應(yīng)力作用下就容易發(fā)生“拉伸”破壞，表面支護(hù)強度不夠，“W”鋼帶和鋼帶護(hù)板易發(fā)生“形變”。

基于上述分析，ZF303工作面運輸巷的支護(hù)關(guān)鍵點在于提高錨桿預(yù)緊力，增長錨索，提高圍巖自身承載能力。

2 注漿加固方案設(shè)計

2.1 注漿壓力設(shè)計

巷道圍巖注漿壓力主要取決于圍巖的滲透性能和漿液性能，設(shè)計的滲透范圍等，注漿壓力高有利于漿液滲透，減少注漿孔等工程量，但有可能破壞圍巖的整體結(jié)構(gòu)，造成漏漿。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，巖體有明顯的裂隙，注漿壓力一般不超過2MPa，圍巖裂隙發(fā)育嚴(yán)重破碎時一般不超過1MPa，裂隙開度較小時可采用1～2MPa。如果巖性軟弱，應(yīng)控制注漿壓力不超過抗壓強度的1/10，以防產(chǎn)生劈裂面。

下溝煤礦圍巖較為軟弱，圍巖0～2m的范圍內(nèi)為破碎區(qū)，2～4m范圍內(nèi)存在大量裂隙，深部存在離層，因此設(shè)計淺部低壓注漿配合深部高壓注漿以實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定控制。淺部圍巖破碎嚴(yán)重，為防止漏漿，要對巷道表面進(jìn)行封堵，采用C20水泥對圍巖表面進(jìn)行“薄噴”，厚度為20～50mm，淺部注漿壓力低于2MPa，深部注漿主要為填充深部離層，注漿壓力擬定為5MPa。

2.2 注漿加固深度設(shè)計

注漿加固深度主要取決于原支護(hù)強度、破裂巖體的固結(jié)效果。

1)支護(hù)強度主要取決于穩(wěn)定巷道圍巖所要求的固結(jié)圈厚度。滯后注漿穩(wěn)定巷道圍巖主要是通過對淺部破裂區(qū)巖體的注漿固結(jié)，促使其形成承載結(jié)構(gòu)。

2)根據(jù)巷道圍巖的破壞特點及應(yīng)力狀態(tài)可分為三個區(qū)：破碎區(qū)，包括周邊松散及殘余階段巖體，此區(qū)可見宏觀裂隙；峰后強度區(qū)，即塑性區(qū)，圍巖處于極限平衡狀態(tài)，已發(fā)生不同程度的塑性變形，裂隙張開度較小，不甚發(fā)育；彈性區(qū)，圍巖完整性程度高。僅就注漿效果而言，注漿深度應(yīng)深入破碎區(qū)達(dá)到峰后強度區(qū)邊緣較合適，這樣可以保證破碎區(qū)圍巖的充分固結(jié)。

根據(jù)圍巖窺探結(jié)果，采用?20mm×2000mm的注漿錨桿，孔深3000mm，采用“瑪麗散”溶液配備“麻繩”封孔。深部注漿采用?19.8mm×10000mm的中空注漿錨索，采用自帶“錐形”止?jié){塞進(jìn)行封孔。

2.3 注漿間排距設(shè)計

采準(zhǔn)巷道一般是順層布置的，根據(jù)沉積巖的裂隙分布規(guī)律，在一般情況下必有一組主導(dǎo)裂隙的延伸方向與巷道軸線成銳角，因而巷道軸向的滲透性能常常是比較強的，注漿孔排距可以適當(dāng)加大。實測表明，巷道表層軸向滲透距離可以達(dá)到2.0～3.0m，設(shè)計注漿孔距應(yīng)使兩個注漿孔的滲透距離有一個交叉，可以取0.65～0.75的系數(shù)，即注漿孔排距一般為1.2～2.2m。為施工和操作方便，注漿孔排距常常設(shè)計為錨噴支護(hù)錨桿排距或金屬支架中棚距的整數(shù)倍，一般處理為2～3倍。注漿孔間距除考慮裂隙的滲透性能外，還受巷道形狀，圍巖不同部位的破裂程度等因素影響，10m2左右的巷道全斷面注漿加固時一般需6～8個注漿孔。

ZF303運輸巷圍巖較軟弱，圍巖滲透性較大，取系數(shù)為0.75，注漿孔排距設(shè)置2000mm，間距1000mm。

2.4 重點加固部位設(shè)計

巷道兩幫煤體強度一般都遠(yuǎn)低于頂?shù)装鍘r層，因而其破裂范圍遠(yuǎn)大于頂?shù)装鍘r石，在圍巖承載結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為最弱的部位。ZF303孤島工作面運輸巷沿煤層底板托頂煤掘進(jìn)，巷道兩幫煤體強度與頂板煤體強度一致，故在垂直應(yīng)力作用下破壞范圍趨于一致，但是考慮到上覆巖層的重力是通過兩幫傳遞到底板的，這樣兩幫的大范圍破壞必將導(dǎo)致底板彎曲變形顯著增加，可以認(rèn)為兩幫的穩(wěn)定性對圍巖的整體穩(wěn)定性影響最大，對支護(hù)作用也最敏感，如圖3所示。

圖3 上覆巖層應(yīng)力傳遞

煤巷多為矩形，幫角在開掘卸載后是應(yīng)力集中點，圍巖塑性區(qū)從兩幫開始發(fā)展，當(dāng)?shù)装鍘r層強度也很低時，塑性區(qū)從兩幫和底角開始，最終也以兩幫最大。加固幫角可直接提高其強度，同時有效地衰減該處圍巖的應(yīng)力集中度，避免幫角過早破壞而引起巷幫及底板的較大變形。

ZF303運輸巷底板巖石中含有大量粘土礦物，遇水“泥化”且膨脹現(xiàn)象嚴(yán)重。根據(jù)現(xiàn)場實際觀察工作面巷道底板底鼓嚴(yán)重，礦方不得不頻繁“起底”，導(dǎo)致底板及幫角穩(wěn)定性偏低，因此需要重點加固巷道幫角，抑制幫角巖石向巷道自由空間移進(jìn)。

2.5 注漿方案設(shè)計

根據(jù)對注漿加固參數(shù)各項內(nèi)容的分析，并基于下溝煤礦ZF303運輸巷的各項條件，按照支護(hù)設(shè)計原則，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計為：將原支護(hù)設(shè)計中的MSGL-335/22mm×2400mm型左旋螺紋鋼錨桿更改為Q500型錨桿，從材質(zhì)上提高錨桿的抗拉強度，將施加的預(yù)緊力扭矩提高到400N·m，不再采用普通實心錨索進(jìn)行支護(hù)，更改為中空注漿錨索。預(yù)緊力與扭矩對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖4 預(yù)緊力與扭矩之間的關(guān)系

對工作面巷道圍巖實行淺部低壓注漿注配合深部高壓注漿的原則，根據(jù)上述分析，淺注采用2000mm注漿錨桿，重點對巷道兩幫角進(jìn)行加密注漿，頂板采用長度為10000mm的注漿錨索進(jìn)行深部離層填充，重新膠結(jié)煤層與直接頂之間的空隙，提高弱接觸面的法向剛度。注漿之前對巷道表面進(jìn)行“薄噴”密閉。注漿支護(hù)設(shè)計如圖5所示。

圖5 注漿支護(hù)設(shè)計(mm)

3 礦壓觀測

為檢測“錨注加固”技術(shù)對ZF303運輸巷的加固效果，在巷道支護(hù)作業(yè)結(jié)束后布置監(jiān)測斷面對巷道表面位移和支護(hù)體受力進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 礦壓觀測結(jié)果

由圖6得知，ZF303運輸巷在巷修支護(hù)作業(yè)結(jié)束后巷道在16～18d逐漸達(dá)到穩(wěn)定，其中，頂板錨桿支護(hù)體受力最大值為210kN，頂板位移量最大值為110mm；左幫錨桿受力最大值為290kN，左幫位移量最大值為190mm；右?guī)湾^桿受力最大值為280kN，右?guī)臀灰屏孔畲笾禐?20mm。

4 結(jié) 論

1)ZF303孤島工作面運輸平巷圍巖淺部破碎嚴(yán)重，大體呈現(xiàn)出0～2m的范圍為一般破碎區(qū)，2～4m范圍為裂隙發(fā)育區(qū)(塑性破壞區(qū))，3～10m為完整區(qū)的破壞規(guī)律。

2)ZF303孤島工作面推采至不同區(qū)域，“非等寬煤柱”應(yīng)力承載值不同，且煤柱尺寸在逐漸減小，承載能力降低。

3)提出了“錨注加固”圍巖控制方案，淺部注漿壓力小于2MPa，深部注漿壓力設(shè)計為5MPa，注漿加固淺孔設(shè)計為3000mm，深孔10000mm，注漿間排距設(shè)計為1000mm×2000mm，重點加固部位為巷道底板幫角?，F(xiàn)場實踐表明，錨注加固技術(shù)能夠有效地解決ZF303孤島工作面運輸巷圍巖控制難題。