含夾矸厚煤層地面定向鉆預(yù)注漿圍巖改性及巷道支護(hù)技術(shù)研究

李 賢，孟祥瑞，程 詳，趙光明，顧清恒，紀(jì)寶柱

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司博士后科研工作站，安徽 淮南 232001；4.安徽亳州煤業(yè)有限公司 信湖煤礦，安徽 亳州 233600)

綜放開采技術(shù)已成為我國開采厚煤層的主要方法[1]。綜放工作面的兩巷多布置于煤層中，在巷道掘進(jìn)過程中，遇到較為穩(wěn)定的巖層(夾矸)時(shí)，一般會(huì)沿巖層底板掘進(jìn)。此時(shí)，巷道頂板為較軟弱的夾矸巖層，巷道掘進(jìn)期間存在頂板離層、脫落，頂、幫防護(hù)難度大，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高等困難。傳統(tǒng)的支護(hù)技術(shù)很難達(dá)到此種頂板條件下的巷道預(yù)期支護(hù)效果，厚煤頂或夾矸頂板巷道掘進(jìn)支護(hù)成為制約綜放開采圍巖控制的技術(shù)難[2]。眾多學(xué)者針對厚煤夾矸頂板下的巷道有效支護(hù)進(jìn)行了探討。秦志宏等[3]為解決厚煤層夾矸頂板巷道維護(hù)難的問題，提出了“三心拱U型鋼棚+錨索梁+鎖腿梁”復(fù)合支護(hù)技術(shù)；裴孟松等[4]通過數(shù)值模擬的手段，分析了不同夾矸條件下的巷道圍巖的穩(wěn)定性；耿繼業(yè)[5]等針對深井高應(yīng)力煤巷圍巖變形劇烈支護(hù)難題，提出了微梯形斷面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)；程利興[6]等針對口孜東礦巷道支護(hù)困難等問題，提出了“高預(yù)應(yīng)力主動(dòng)支護(hù)、注漿改性加固、強(qiáng)幫護(hù)頂”為核心的巷道支護(hù)技術(shù)；肖殿才[7]等分析了深井軟巖巷道穿煤層圍巖變形失穩(wěn)的原因，提出了超前預(yù)支護(hù)+內(nèi)錨外架聯(lián)合控頂+鎖腿控幫+噴注補(bǔ)強(qiáng)+底板控水卸壓”聯(lián)合的組合控制技術(shù)；范明建[8]等采用“強(qiáng)力錨網(wǎng)噴支護(hù)與破碎圍巖注漿加固于一體”的方法進(jìn)行支護(hù)，有效控制了傳統(tǒng)深部復(fù)雜巷道圍巖變形。

分析以上文獻(xiàn)可知，針對復(fù)雜條件巷道圍巖控制已開展了大量的研究，并取得重要的研究成果，但未提出復(fù)雜條件圍巖超前治理思想。近年來，隨著鉆探技術(shù)的發(fā)展，地面定向鉆預(yù)注漿技術(shù)由于注漿壓力高，且在巷道或硐室開挖之前已對破碎異常區(qū)內(nèi)巖層進(jìn)行加固改性，圍巖自承載能力得到加強(qiáng)，同時(shí)不影響正常采掘交替，可改善施工環(huán)境，在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)圍巖治理廣泛應(yīng)用[9-14]，但涉及厚煤層夾矸頂板巷道的圍巖超前治理的研究較為不足。本研究以信湖礦818里機(jī)巷沿夾矸底板掘進(jìn)為工程背景，提出地面定向鉆預(yù)注漿改性軟弱夾矸圍巖力學(xué)性質(zhì)以提高圍巖強(qiáng)度的技術(shù)方案，采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行效果評價(jià)，為頂板夾矸條件下巷道治理提供思路。

1 工程概況

818工作面為信湖煤礦81采區(qū)首采工作面，走向長度2004 m，切眼長度186 m，煤層傾角12～17°，平均14°。主采煤層8煤分81煤與82煤兩層，其中81煤層厚度平均3.52 m，82煤層厚度平均2.65 m；8煤組中間夾矸2～3層，多為2層，巖性多以泥巖為主，局部為粉砂巖，81煤與82煤層間夾矸厚0.99～2.01 m，平均1.46 m。818里機(jī)巷跟82煤頂板掘進(jìn)，818里機(jī)巷標(biāo)高是-905.5～-943.9 m，平均埋深-920 m，巷道頂?shù)装迩闆r如圖1所示。

圖1 818里機(jī)巷巷道頂?shù)装迩闆r

818工作面地質(zhì)條件中等，斷層、褶曲不發(fā)育，工作面內(nèi)未發(fā)現(xiàn)落差大于5 m斷層，無巖漿巖侵蝕等地質(zhì)異常體。818里機(jī)巷跟夾矸底板施工，掘進(jìn)過程面臨的主要問題是夾矸離層嚴(yán)重，巷道頂板支護(hù)困難，且8煤埋深大、地壓大，81煤與82煤之間賦存的夾矸厚度小，井下短孔、中長孔注漿改性注漿量有限，改造治理難度大。為解決818里機(jī)巷掘進(jìn)過程支護(hù)難題，提出了地面定向鉆孔預(yù)注漿圍巖改性技術(shù)方案，治理段鉆孔穿過81與82煤層中間的夾矸，在高壓下漿液向鉆孔周圍擴(kuò)散，以達(dá)圍巖改性的效果。

2 預(yù)注漿試驗(yàn)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

為了探究預(yù)注漿工程對巷道圍巖的加固作用，利用有限差分軟件FLAC3D，以818里機(jī)巷工程地質(zhì)條件為工程背景建立模型，采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則進(jìn)行運(yùn)算。本模型中，設(shè)定巷道軸線方向(掘進(jìn)方向)為Y軸，傾向方向?yàn)閄軸，鉛錘方向?yàn)閆軸，向上為正?？紤]到巷道開挖后巖石沿巷道徑向發(fā)生不同程度的破壞[14]，為消除巷道邊界影響，設(shè)定模型尺寸為X×Y×Z=66 m×20 m×42 m，模型中所包含單元體數(shù)量為282819，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為53235。采用818工作面現(xiàn)場取巖石試樣，通過實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn)得到巖石的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。818里機(jī)巷平均埋深-920 m，模型施加的初始應(yīng)力為22.5 MPa。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

參考文獻(xiàn)[16]中圍巖物理力學(xué)參數(shù)在注漿前后的強(qiáng)化系數(shù)，來進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，模擬注漿的效果，結(jié)果如圖2所示。

圖2 注漿前、后巷道開挖圍巖變形規(guī)律

由圖2可知，注漿與否，對于巷道圍巖變形量影響較為明顯。將注漿前、后圍巖變形量進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)注漿時(shí)較于非注漿時(shí)，巷道的頂板下沉量減小33.3%，兩幫移近量減小36.5%。

圖3數(shù)據(jù)表明，注漿后巷道開挖時(shí)圍巖應(yīng)力相較于注漿前有所變大，但應(yīng)力集中區(qū)明顯向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值由距離幫部1.1 m位置轉(zhuǎn)移到距離幫部3.3 m位置，圍巖應(yīng)力狀況得到改善。從模擬結(jié)果分析，對818里機(jī)巷采用地面定向鉆預(yù)注漿加固巷道頂板夾矸，可以一定程度降低圍巖變形量，改善巷道周圍的應(yīng)力環(huán)境，進(jìn)而說明地面定向鉆預(yù)注漿圍巖改性技術(shù)有利于巷道掘進(jìn)期間圍巖穩(wěn)定性控制。注漿前、后巷道開挖圍巖應(yīng)力分布規(guī)律如圖3所示。

圖3 注漿前、后巷道開挖圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

3 現(xiàn)場注漿及效果檢驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)

針對818里機(jī)巷工程治理層位的81與82煤層中間的夾矸，在地面實(shí)施開孔后，配合精確控制鉆孔方向技術(shù)對巷道水平治理段的圍巖進(jìn)行注漿加固。設(shè)計(jì)1個(gè)順巷道水平孔組，編號為S6孔組，沿巷道中心布置，穿81煤與82煤之間的夾矸鉆進(jìn)。鉆孔共分三次施工：

1)一開(近)直孔段，孔徑?311 mm，預(yù)計(jì)孔深480 m，下入244.5 mm×8.94 mm通天套管，固井返至孔口。

2)二開定向?qū)倍?，孔?215.9 mm，預(yù)計(jì)孔深1078 m，下入177.8 mm×8.05 mm通天套管，固井返至孔口。

3)三開治理段，孔徑?152 mm，裸孔順煤層夾矸鉆進(jìn)320 m，注漿改造巷頂夾矸強(qiáng)度。

地面定向鉆孔現(xiàn)場采用標(biāo)號P.O.42.5普通/復(fù)合硅酸鹽水泥注漿，水泥漿比重1.2～1.7 t/m3。注漿前進(jìn)行現(xiàn)場壓水試驗(yàn)，分析得到孔口注漿終壓設(shè)計(jì)為15～25 MPa，具體注漿參數(shù)見表2。

表2 S6鉆孔注漿情況匯總

為保證巷道治理效果，巷道治理孔沿巷道中心線布置，對三開巷道治理段進(jìn)行鉆探。其中巷道治理段約320 m，定向孔治理段距離瓦斯鑒定巷最近距離279 m。定向鉆孔布置的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 地面定向鉆布置

3.2 注漿效果檢驗(yàn)

采用鉆孔窺視方法，檢測地面定向鉆預(yù)注漿加固頂板夾矸后圍巖改性效果。鉆孔窺視探測在818里機(jī)巷內(nèi)進(jìn)行，探測區(qū)域避開頂板淋水地段，共設(shè)置2個(gè)探測區(qū)域，具體位置為：J6點(diǎn)前90 m和J6點(diǎn)前107.82 m，探測點(diǎn)位均為巷道頂板，使用?42 mm的鉆頭施工，鉆孔施工至81煤頂板1 m。鉆孔施工結(jié)束后，立即使用GD3Q-GA 4D超高清全智能孔內(nèi)電視進(jìn)行探測。對于地面定向鉆預(yù)注漿效果的檢驗(yàn)，重點(diǎn)觀察頂板夾矸層位，通過窺視觀察頂板夾矸漿液擴(kuò)散情況。

探測區(qū)域1的窺視結(jié)果如圖5所示。距孔口0.2 m位置頂板較為破碎，0.2～0.4 m范圍圍巖完整性較好，裂隙不發(fā)育，基本上無漿液擴(kuò)散情況；距孔口0.6～1.4 m范圍，通過鉆孔內(nèi)壁周邊介質(zhì)反光程度不同，分析為漿液擴(kuò)散后的凝結(jié)體；距孔口1.5 m位置，漿液擴(kuò)散情況不明顯，觀察不到孔壁有介質(zhì)反光現(xiàn)象，判斷鉆孔周邊0.8 m范圍存在漿液。

圖5 鉆孔窺視結(jié)果

通過鉆孔窺視得到，夾矸泥巖原生裂隙的發(fā)育狀態(tài)直接表明了漿液的擴(kuò)散情況[17]。地面定向鉆高壓注漿，在注漿壓力作用下，裂隙擴(kuò)展，漿液對裂隙具有充填、固結(jié)作用，使得周圍巖石的力學(xué)性質(zhì)得到改善。

4 現(xiàn)場支護(hù)與效果評價(jià)

4.1 支護(hù)方案

由于開采深度的遞增，礦壓顯現(xiàn)極為明顯，厚煤頂下巷道支護(hù)僅依靠錨桿/索單一支護(hù)形式已無法保證巷道的穩(wěn)定性[18]?；幢钡V區(qū)經(jīng)多年實(shí)踐，已形成一套適合厚煤頂下“降、鉆、錨、注、平”支護(hù)工藝，已經(jīng)取得了良好應(yīng)用效果[19，20]。

針對含夾矸煤層的賦存特征，結(jié)合818里機(jī)巷地質(zhì)條件及施工特點(diǎn)，采用“U型鋼+錨索梁+鎖腿梁”復(fù)合支護(hù)形式。現(xiàn)場施工時(shí)，針對模擬中兩幫的應(yīng)力集中值未顯著降低的結(jié)果，在巷道的幫部及肩角上方進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

選用U36型鋼可縮性三心拱支架支護(hù)，棚距700 mm；錨桿規(guī)格?22 mm×2600 mm，間排距800 mm×700 mm；錨索規(guī)格YMS21.8/7.3～10.3 m，巷道的具體支護(hù)形式如圖6所示。

圖6 巷道斷面支護(hù)方案(mm)

4.2 效果考察

為考察地面定向鉆孔預(yù)注漿圍巖改性對818里機(jī)巷巷道支護(hù)的效果，在818里機(jī)巷進(jìn)行圍巖位移監(jiān)測，分別在注漿區(qū)域和非注漿區(qū)域(礦壓觀測對比區(qū)域)各布置1個(gè)觀測區(qū)域，測點(diǎn)采用“十”字布點(diǎn)法布置，如圖7所示。

圖7 測點(diǎn)布置

在注漿區(qū)域和非注漿區(qū)域選取部分測點(diǎn)，分別為3#測點(diǎn)、5#測點(diǎn)和9#測點(diǎn)、10#測點(diǎn)。對比分析地面定向鉆注漿區(qū)域與非注漿區(qū)域巷道圍巖的變形量，評價(jià)地面定向鉆注漿加固效果及巷道支護(hù)狀態(tài)，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 非注漿區(qū)域巷道圍巖變形曲線

圖9 注漿區(qū)域巷道圍巖變形曲線

由圖8可知，巷道非注漿區(qū)域內(nèi)兩幫在12 d內(nèi)以較大的速率收縮，在18～20 d左右變形速率降低，移近量也無明顯增大；頂板在13～15 d內(nèi)下沉較快，在20 d左右下沉速率趨于穩(wěn)定。巷道兩幫最大移近量為220 mm，頂板最大下沉量為155 mm。

由圖9可知，注漿區(qū)域內(nèi)兩幫在10 d內(nèi)以較大的變形速率收縮，在15 d左右變形速率降低，移近量無明顯增加；頂板在7～10 d內(nèi)下降速度較快，在20 d左右下降速率趨于穩(wěn)定。巷道兩幫最大移近量為150 mm，頂板最大下沉量為98 mm?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，相較于非治理區(qū)域，注漿治理區(qū)域內(nèi)的兩幫移近量和頂板下沉量分別降低的比例為31.82%、36.77%。

5 結(jié) 論

1)針對818里機(jī)巷圍巖控制的難題，提出了地面定向鉆孔預(yù)注漿圍巖改性技術(shù)方案，通過數(shù)值模擬結(jié)果分析，該技術(shù)對改善圍巖力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)圍巖自承載力，降低掘進(jìn)支護(hù)難度有一定效果。

2)現(xiàn)場鉆孔窺視結(jié)果表明，在地面定向鉆注漿技術(shù)的高壓力下，巷道圍巖注漿改性的效果得到保障，再配合采用“U型鋼+錨索梁+鎖腿梁”的復(fù)合支護(hù)形式，巷道掘進(jìn)期間圍巖變形得到了控制。