采動擾動下深部巷道深淺孔注漿加固技術(shù)研究與應(yīng)用

趙洋洋，劉樹輪，杜俊培

（1.冀中能源邯鄲礦業(yè)集團 太行礦業(yè)有限公司，河北 邯鄲 056000；2.冀中能源股份有限公司 郭二莊礦，河北 邯鄲 056000）

0 引 言

煤炭開采日益往深部延伸，深部巷道變形及圍巖穩(wěn)定控制成為當下亟待解決的問題，隨采掘活動逐步向深部發(fā)展，巷道變形亦隨之明顯增大。其特征表現(xiàn)在：所處位置地應(yīng)力高，采動擾動影響劇烈；巖體在采動、變形作用下滋生裂隙，導致圍巖強度下降、完整度低、穩(wěn)定性差；巷道斷面變形嚴重，并具有持續(xù)性，圍巖變形特征與淺部巷道有明顯差異，一次支護和常規(guī)支護難以控制巷道與保持圍巖穩(wěn)定[1-4]。深部巷道圍巖產(chǎn)生大變形的根源在于其自承能力的弱化，因此提高并保持圍巖自承能力，是解決該類問題的突破口。注漿技術(shù)針對圍巖穩(wěn)定破壞和強度弱化的問題，可以直達圍巖內(nèi)部對其自身強度進行補強加固。

采動擾動下深部巷道圍巖控制問題涉及到礦壓顯現(xiàn)、頂板控制和圍巖活動規(guī)律等多個方面，目前深部采動影響下巷道變形機制的研究主要針對工作面回采巷道、采空區(qū)底板巷道和跨采巷道，關(guān)于采區(qū)上下山巷道受采動影響的研究成果相對較少，采區(qū)上下山巷道由于其功能和位置的特征性，在生產(chǎn)活動中會同時受到兩側(cè)采動影響，變形破壞情況更加嚴重。采動擾動下采區(qū)巷道圍巖變形特征尚沒有系統(tǒng)性認識，在此條件下的巷道圍巖注漿加固方案亦缺乏實踐探索，本文以云駕嶺礦八采軌道下山為工程背景，在分析采動擾動下深部巷道圍巖破壞特征的基礎(chǔ)上，以改善巷道圍巖力學性能、增強圍巖可錨性為突破點，提出采動擾動下深部巷道深淺孔注漿耦合加固方案。

1 概 況

以云駕嶺礦八采軌道下山為研究背景，該煤礦于1992 年建成投產(chǎn)，礦井核定生產(chǎn)能力為180 萬t/a。開拓方式為立井單水平開拓，現(xiàn)生產(chǎn)水平為-150 m 水平，八采區(qū)為該水平下山采區(qū)，八采軌道下山為采區(qū)準備巷道，巷道斜長約900 m，斷面類型為直墻半圓拱形，由于埋藏深，受工作面采動影響，礦井經(jīng)過多次擴幫整修，圍巖較為破碎，幫鼓量及頂板下沉量較大，圍巖淺部巖體在采動及變形作用下裂隙發(fā)育，通過打圍巖窺視孔發(fā)現(xiàn)，3 m以內(nèi)淺部區(qū)域巖體變形破碎嚴重，5～9 m 深部區(qū)域裂隙仍較發(fā)育，采動影響下巷道圍巖體破壞深度較常規(guī)情況深3～5 m。前期巷道日常維護時選擇“刷幫、拉底、補打錨桿、錨索”的方式對采動擾動后的巷道巖體進行維護，但不能控制圍巖持續(xù)變形破壞。為確保軌道下山修復效果，特針對深部巷道采動擾動下圍巖持續(xù)變形的實際及深淺部不同變形破壞特征，制定了八采軌道下山深淺孔注漿加固的修復方案。

2 采動擾動下深部巷道圍巖變形特征

為研究八采軌道下山兩側(cè)回采工作面采動對下山圍巖擾動破壞情況，本文采用工作面超前應(yīng)力監(jiān)測、圍巖松動圈測試及錨桿質(zhì)量監(jiān)測等手段，以明確采動擾動下巷道變形特征及影響因素，從而有針對性的對巷道薄弱點進行加固。

（1） 通過在工作面安裝超前應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備，定期收集數(shù)據(jù)，得出工作面超前支承壓力的最大值出現(xiàn)在工作面前方約25 m 處，超前支承壓力的影響區(qū)域達到100 m，軌道下山就處于該區(qū)域，受到工作面推進帶來的顯著影響。

（2） 采用地質(zhì)雷達無損檢測技術(shù)對軌道下山圍巖松動圈進行探測，結(jié)果表明，軌道下山頂板和兩幫的圍巖松動圈達到3 m，部分區(qū)域達到5 m，軌道下山圍巖松動圈范圍較大，部分區(qū)域的松動圈已超出錨桿長度。

（3） 對軌道下山的錨桿進行現(xiàn)場支護質(zhì)量無損檢測，結(jié)果見表1。錨桿的自由段長度在1.5 m左右，錨固段長度在0.2～0.5 m，與設(shè)計參數(shù)（錨桿長度2.0 m，錨固段長度不少于1.0 m） 存在一定差距，可推斷圍巖內(nèi)部出現(xiàn)了大量離層現(xiàn)象；同時，軌道下山巷道70%錨桿的軸力在40 kN 以內(nèi)，僅有2 根錨桿的軸力超過了60 kN，可以推斷工作面回采過后，巷道圍巖更加破碎，極大減弱了錨桿的錨固作用。

綜上分析可知，軌道下山采動巷道的變形特征主要有：①巷道變形滯后于開采活動，但又有明顯的聯(lián)動性；②巷道表面變形嚴重，底鼓量最大處區(qū)域可達800 mm，兩幫移近量最高達到2.0 m；③巖體內(nèi)部采動裂隙發(fā)育，進一步降低圍巖強度，極大削弱了巷道的自承能力；④原支護方式未針對采動巷道的變形特征進行加固。

3 深淺孔注漿加固原理及參數(shù)選擇

采動擾動下巷道圍巖深部與淺部裂隙發(fā)育程度及變形破壞程度不均一，自圍巖內(nèi)部向表面巖體擾動后位移逐步增大，在一定范圍內(nèi)淺部巖體與深部實現(xiàn)承載力脫離，導致后期圍巖表面破碎嚴重，失去承載作用。由于深淺部圍巖體這種巖石力學性能上的不同，導致圍巖可注性及注漿效果呈現(xiàn)差異性，深淺孔注漿即是依據(jù)圍巖深淺部力學性能及巖體裂隙發(fā)育差異，選定不同注漿參數(shù)，對深、淺部圍巖施工各自注漿孔，兼顧發(fā)揮淺孔凝固快速、膠結(jié)強度高、深孔高壓下可注性好的優(yōu)勢，在漿液膠結(jié)下改善圍巖體整體力學性能，實現(xiàn)對巷道圍巖變形的控制。深淺孔注漿原理如圖1 所示。

圖1 深淺孔注漿原理示意Fig.1 Principle of deep and shallow hole grouting

深淺孔聯(lián)合注漿可有效解決圍巖表面破碎區(qū)裂隙發(fā)育、承載能力差的問題，增強破碎區(qū)圍巖可注性，減少注漿漏液、注漿壓力不達標等情況的發(fā)生。由于注漿治理部位不同，深淺孔注漿應(yīng)在充分考慮圍巖深、淺部巖石擾動下的力學性能、裂隙發(fā)育程度及注漿治理目的的基礎(chǔ)上，合理選擇差異性的注漿參數(shù)。

3.1 注漿順序

巷道圍巖自揭露后，由于圍巖應(yīng)力及支承壓力不同，由圍巖表面向內(nèi)部相應(yīng)產(chǎn)生破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，且在采動擾動下會改變巷道測壓分布，圍巖表面受采動影響，變形量最大，裂隙發(fā)育，破壞嚴重，承載能力差。在實際注漿中，通常會出現(xiàn)注漿漏液，終壓不達標的情況，因此，在實施深淺孔聯(lián)合注漿時，應(yīng)選擇先對淺部圍巖進行注漿，強化淺部巖體力學性能，封堵裂隙，提高深孔注漿時淺部圍巖體所能承受的最大注漿終壓，之后再對深部圍巖進行注漿，使深部圍巖重新膠結(jié)成整體，減少深部巖體變形對整體圍巖的破壞。

3.2 注漿壓力

注漿壓力是漿液在圍巖中擴散的動力，其直接影響注漿加固質(zhì)量和效果[5-6]。注漿壓力受地層條件、注漿方式和注漿材料等因素影響。注漿壓力過高會引起劈裂注漿，可能導致圍巖的片幫、冒落，如過小則漿液難以在圍巖中深入滲透，影響注漿的效果。

對于深淺孔聯(lián)合注漿，考慮注漿目的，淺孔應(yīng)選擇低壓注漿，而深孔在淺部圍巖支承能力增強的情況下，考慮注漿效果，可適當調(diào)高注漿壓力。

3.3 注漿材料

注漿材料是圍巖膠結(jié)的骨架，其主要性能指標包括力學指標、漿液粘度及滲透性能[7]。淺孔注漿時，淺部圍巖裂隙發(fā)育，裂隙較深部圍巖寬、連通性好，注漿時需優(yōu)先考慮漿液凝固、膠結(jié)效果，選擇凝固時間短的注漿材料，并調(diào)高漿液濃度；深部注漿時，針對深部圍巖塑性變形多、裂隙連通性差的特點，應(yīng)考慮滲透性強的注漿材料，并降低漿液濃度，增強可注性。

4 注漿支護方案設(shè)計

在考慮深淺孔差異性注漿參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定注漿支護方案如下。

（1） 對巷道進行擴修并進行表面初次噴漿，初噴后再進行錨網(wǎng)支護，采用全錨索進行支護。幫錨索規(guī)格為φ18.9 mm×4 250 mm，間排距為800 mm×800 mm，配套使用2.5 mm×275 mm×1 950 mm（三眼） W 鋼帶；頂錨索規(guī)格為φ22 mm×7 300 mm 及φ18.9 mm×4 300 mm 的錨索，錨索布置為不同規(guī)格交錯布置，錨索間排距為800 mm×800 mm，配套使用2.5 mm×275 mm×1 950 mm（三眼） W 鋼帶。支護完成后對巷道進行噴漿作業(yè)，設(shè)計復噴厚度50～60 mm，噴漿混凝土強度等級C20。

（2） 噴漿養(yǎng)護完后，先在下山兩幫及頂板的淺部圍巖體施工注漿孔，實施淺部注漿，注漿材料選擇水泥+ 水玻璃，水泥水灰比控制為0.85∶1，水玻璃濃度一般應(yīng)控制在10～20 Be，水泥漿與水玻璃比控制在1∶（0.1～0.3）。巷道淺部圍巖在采動擾動下裂隙發(fā)育較寬，一般為2～6 mm，根據(jù)先期注漿經(jīng)驗，將注漿壓力定為不大于2.5 MPa，注漿時間以漿液注不進去為止。

淺部注漿孔采用矩型布置，孔間距根據(jù)巖層性質(zhì)確定，考慮到巖層橫向節(jié)理相對比豎向裂隙發(fā)育，因此在布置注漿孔時，頂孔間距相對比幫部大，具體各注漿孔間距見剖面、斷面注漿孔布置如圖2 所示，每排布置4 個孔，孔徑42 mm（根據(jù)灌漿塞規(guī)格及技術(shù)要求確定），兩幫2 個淺孔孔深2.4 m，拱部2 個淺孔孔深4.0 m，排距為3 m，使用灌漿塞進行封孔。

圖2 深淺孔注漿布置示意Fig.2 Arrangement of deep and shallow hole groutin

（3） 在完成淺孔注漿并經(jīng)一段時間養(yǎng)護后，進行深孔注漿。注漿材料選擇水灰比為0.65∶1 的水泥，考慮深部圍巖裂隙連通性差，且淺部圍巖在漿液膠結(jié)作用下支承力增強，深孔注漿壓力選擇在5 MPa，注漿時間以漿液注不進去為止。

深孔同樣采用矩形布置，每排布置5 個深孔，底角打2 個孔深4.8 m 的深孔，拱部打3 個孔深6.0 m 的深孔，與淺孔成五花眼布置；深孔采用錨桿機施工，孔口孔徑42 mm（根據(jù)灌漿塞規(guī)格及技術(shù)要求確定），內(nèi)部孔徑28 mm，采用灌漿塞封堵灌漿法。

5 注漿效果評價

在現(xiàn)場實施深淺孔注漿方案后，為檢驗支護效果，在八采軌道下山布設(shè)2 個監(jiān)測點，位置如圖3所示。每個監(jiān)測點包含4 個位移測量點，分別測量頂?shù)装寮皟蓭鸵平?。?jīng)過長時間數(shù)據(jù)收集，整理得到巷道支護監(jiān)測效果，如圖4 所示。

圖3 注漿支護效果監(jiān)測點位置Fig.3 Monitoring point location of grouting support effect

圖4 巷道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Deformation monitoring results of roadway surrounding rock

可以看出，隨著時間推移巷道表面變形趨于穩(wěn)定，1 號監(jiān)測點數(shù)據(jù)顯示，兩幫變形穩(wěn)定后移近量為90 mm 左右，頂?shù)装遄冃畏€(wěn)定后移近量在45 mm 左右。2 號監(jiān)測點數(shù)據(jù)顯示，兩幫變形穩(wěn)定后移近量為60 mm 左右，頂?shù)装遄冃畏€(wěn)定后移近量在38 mm 左右?？梢钥闯鑫挥诠ぷ髅婊夭蓴_動影響段的1 號監(jiān)測點比2 號監(jiān)測點變形量更大，但兩監(jiān)測點總體圍巖移近量均較注漿前顯著縮小，變形量逐步減緩直至最終穩(wěn)定，巷道的變形和破壞得到有效控制。

6 結(jié) 論

（1） 通過應(yīng)力監(jiān)測等手段，分析了采動擾動下深部巷道圍巖破壞特征。受采動影響，巷道圍巖破碎區(qū)及塑性區(qū)范圍均變大，淺部圍巖破壞嚴重，削弱了巷道的自承能力，降低了圍巖錨固質(zhì)量。

（2） 在分析深淺孔注漿加固原理的基礎(chǔ)上，提出了深、淺孔差異性注漿參數(shù)。先低壓-淺孔注漿，再高壓-深孔注漿；注漿材料選擇上，淺孔應(yīng)優(yōu)先選擇凝固時間短的材料，并調(diào)高漿液濃度，提升膠結(jié)效果，深孔優(yōu)先考慮滲透性，同時降低漿液濃度，增強可注性。

（3） 通過深淺孔注漿加固，在采動擾動下，深部巷道圍巖總變形量明顯減小，巷道變形量逐步減緩直至最終穩(wěn)定，頂板及兩幫下沉情況顯著改善。深淺孔注漿將深淺部破碎圍巖膠結(jié)成統(tǒng)一穩(wěn)定的整體，有效地控制了圍巖變形速度，使圍巖強度得到明顯強化。