采掘擾動(dòng)頂板圍巖控制策略及新技術(shù)新材料應(yīng)用

郭 存

（山西焦煤集團(tuán)正仁煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036411）

0 引 言

理論研究表明，巷道圍巖穩(wěn)定性既取決于其所受的應(yīng)力狀態(tài)，又取決于圍巖體的強(qiáng)度力學(xué)性質(zhì)。因此，控制圍巖的穩(wěn)定應(yīng)從改善圍巖應(yīng)力環(huán)境和圍巖力學(xué)性質(zhì)兩方面入手。對(duì)于山西焦煤正興煤業(yè)礦井大埋深復(fù)雜構(gòu)造區(qū)強(qiáng)采動(dòng)復(fù)合頂板巷道，通過(guò)優(yōu)化大巷保護(hù)煤柱尺寸（降低兩翼工作面采動(dòng)力源），能夠從一定程度上降低強(qiáng)采動(dòng)應(yīng)力對(duì)大巷的影響，但是巷道仍不可避免要受到大埋深、高構(gòu)造應(yīng)力以及采動(dòng)影響疊加作用形成的高應(yīng)力環(huán)境影響。

由于大巷為典型的復(fù)合軟巖頂?shù)装?，圍巖強(qiáng)度低，承載能力差，各巖層層理弱面極易受高應(yīng)力作用發(fā)生剪切滑移破壞，此時(shí)不論采取何種支護(hù)方式，高應(yīng)力環(huán)境都不可避免會(huì)超過(guò)大巷圍巖強(qiáng)度或者層理面抗剪強(qiáng)度，即大巷圍巖初期的破壞不可避免。

1 圍巖穩(wěn)定性控制原理

1.1 “先釋后控- 抗剪阻脹”控制理念

圍巖控制的一般方法是通過(guò)錨桿（索）等主動(dòng)支護(hù)，擴(kuò)大承載圈半徑，使圍巖“自穩(wěn)”。不論采取何種支護(hù)都無(wú)法阻止圍巖初期剪切破壞，只能后續(xù)補(bǔ)強(qiáng)?；诖颂岢觥跋柔尯罂亍眹鷰r控制思路，“釋”指的是允許圍巖初期破裂，釋放應(yīng)力；“控”指的是對(duì)破裂后圍巖及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)控制圍巖變形發(fā)展。“抗剪阻脹”核心理念主要包括兩方面：一是強(qiáng)力抗剪切支護(hù)結(jié)構(gòu)阻止破裂圍巖滑移錯(cuò)動(dòng)和擴(kuò)容；二是原位改性調(diào)控破裂圍巖強(qiáng)度與錨固性能。

目前技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行4179 的方法主要是“錨注支護(hù)”技術(shù)，其策略是：巷道開(kāi)挖后立即采用一次高強(qiáng)支護(hù)降低巷道初期變形；當(dāng)巷道初期剪切破壞完成后，采用二次支護(hù)與注漿加固技術(shù)強(qiáng)化破裂圍巖，確保圍巖穩(wěn)定性。下面簡(jiǎn)要分析“錨注支護(hù)”技術(shù)的主要作用機(jī)理。

1.2 高強(qiáng)錨桿（索）支護(hù)作用機(jī)理

錨桿（索）支護(hù)對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)面的本質(zhì)作用在于通過(guò)桿體徑向抗拉和切向抗剪，對(duì)結(jié)構(gòu)面離層與滑動(dòng)起到有效阻止作用，緩解圍巖內(nèi)部新裂紋產(chǎn)生，避免圍巖產(chǎn)生較大變形破壞，如圖1 所示。錨索支護(hù)的基本原理是懸吊作用，將淺部易垮落圍巖應(yīng)力傳遞至深部穩(wěn)定層，擴(kuò)大圍巖承載圈，如圖2 所示。錨桿與錨索預(yù)應(yīng)力在圍巖中的擴(kuò)散，從而顯著的改善巷道支護(hù)效果。

圖1 大巷圍巖錨桿支護(hù)力學(xué)作用模式

圖2 巷道頂板主動(dòng)支護(hù)作用力學(xué)機(jī)制

1.3 注漿改性作用機(jī)理

對(duì)圍巖進(jìn)行注漿改性，可大大提高圍巖強(qiáng)度（黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角），增強(qiáng)圍巖自承載能力。軟弱破碎圍巖注漿重構(gòu)改性后圍巖完整性及強(qiáng)度的提高，不僅提高了巷道圍巖的承載效果，還將大大提升錨桿（索）支護(hù)的效果，實(shí)現(xiàn)錨注協(xié)同，因此注漿重構(gòu)改性技術(shù)對(duì)于軟弱破碎巷道圍巖穩(wěn)定性控制具有重要意義。為分析注漿重構(gòu)改性支護(hù)效果，設(shè)注漿前后巖體粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角分表為C、φ與C'、φ'，分別增加了ΔC和Δφ，則有：

則，由于注漿加固圍巖承載能力的增加值為：

其中：Δσ1=σ'1-σ1，t為加固拱厚度。

注漿同時(shí)也可為加固范圍外的圍巖體提供高抗力的結(jié)構(gòu)性約束，作用機(jī)理如圖3 所示：

圖3 注漿原位改性重構(gòu)破裂圍巖承載體系的作用機(jī)理

1）改善破裂巖體物理力學(xué)狀態(tài)。漿液充填和封堵圍巖裂隙可減輕圍巖風(fēng)化，防止圍巖被水浸濕而軟化；注漿使破裂巖體膠結(jié)成整體，其承載性能顯著提高。

2）提高多層組合拱結(jié)構(gòu)的可靠性與承載能力。注漿加固形成多層組合拱由噴網(wǎng)組合拱，錨桿將多層組合拱連成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)共同承載，擴(kuò)大了支護(hù)承載范圍。

3）高約束阻止深部圍巖塑性區(qū)發(fā)展。破裂巖體加固后轉(zhuǎn)化為理想彈塑性體，承載能力顯著提高，隨圍巖變形的增加，引起加固體內(nèi)應(yīng)力提高，形成對(duì)深部破裂巖體的有效約束。

1.4 頂- 幫、底- 幫整體滑移控制機(jī)理

幫和頂?shù)装迨窍嗷プ饔?、影響的統(tǒng)一體，加強(qiáng)頂- 幫、底- 幫支護(hù)能改善圍巖整體的穩(wěn)定性。具體來(lái)講，大巷肩角、底角一般為三向受壓穩(wěn)定區(qū)，可利用肩角、底角穩(wěn)定區(qū)巖石作為深層錨固區(qū)域，通過(guò)斜錨索梁建立“幫- 頂”與“幫- 底”整體承載結(jié)構(gòu)（如圖4 所示），提高煤層- 頂?shù)装鍘r層界面間的抗剪強(qiáng)度，提升巷道圍巖控制效果。

圖4 基于肩角、底角穩(wěn)定錨固區(qū)抗剪約束承載作用機(jī)理

2 開(kāi)拓大巷圍巖控制策略

針對(duì)山西焦煤正興煤業(yè)礦井開(kāi)拓大巷及硐室圍巖變形破壞特點(diǎn)以及圍巖控制難點(diǎn)，考慮到現(xiàn)有的常規(guī)支護(hù)方式的技術(shù)局限性，基于上述提出的高應(yīng)力環(huán)境下大巷圍巖“先釋后控- 抗剪阻脹”控制原理，經(jīng)研究決定采用“優(yōu)先控制采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境+一次主動(dòng)及時(shí)強(qiáng)力約束支護(hù)控制初期變形破壞+二次注漿加固保障圍巖后期穩(wěn)定”的綜合控制策略，總體思路如下：

2.1 優(yōu)先控制采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境（降低遠(yuǎn)場(chǎng)采動(dòng)力源）

山西焦煤正興煤業(yè)礦井原設(shè)計(jì)的回采工作面與開(kāi)拓大巷之間留設(shè)保安煤柱尺寸為30 m，導(dǎo)致3 條大巷及硐室受到兩翼工作面回采的超前采動(dòng)應(yīng)力疊加作用影響，處于強(qiáng)采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境，煤柱上最大垂直應(yīng)力為原巖應(yīng)力3.06 倍，超前采動(dòng)應(yīng)力的影響劇烈。為降低兩翼工作面超前采動(dòng)影響，可采用“增大3 條大巷的保護(hù)煤柱尺寸”或者采用“頂板弱化轉(zhuǎn)移采動(dòng)應(yīng)力”等2 種方案來(lái)降低超前采動(dòng)應(yīng)力影響：

1）方案一：增大3 條大巷的保護(hù)煤柱尺寸。圖5為數(shù)值模擬獲得的山西焦煤正興煤業(yè)礦井典型回采工作面周?chē)怪睉?yīng)力三維分布云圖，可以看到在回采工作面前方50 m 范圍之外采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)已降低至k=1～2。因此，選擇通過(guò)增加大巷的保護(hù)煤柱尺寸來(lái)降低采動(dòng)影響時(shí)，建議大巷保護(hù)煤柱應(yīng)不小于50 m。

圖5 典型回采工作面周?chē)S垂直應(yīng)力分布圖

2）方案二：頂板弱化轉(zhuǎn)移采動(dòng)應(yīng)力。通過(guò)切頂?shù)确绞皆诨夭晒ぷ髅媾c大巷之間頂板中形成人工裂隙網(wǎng)絡(luò)，弱化工作面頂板，減少或阻斷采動(dòng)應(yīng)力傳遞路徑，來(lái)實(shí)現(xiàn)采動(dòng)應(yīng)力向遠(yuǎn)離“圍巖”方向轉(zhuǎn)移和降低圍巖采動(dòng)力源烈度的目的，從而保障大巷處于良好的應(yīng)力環(huán)境。結(jié)合山西焦煤正興煤業(yè)礦井井下的實(shí)際情況，可行的采動(dòng)應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)方案主要包括如下3 種：①預(yù)掘工作面回撤通道，利用回撤通道進(jìn)行切頂卸壓，阻止采動(dòng)應(yīng)力向大巷傳遞。②利用工作面兩側(cè)順槽，向保護(hù)煤柱上方頂板中打超長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行水力壓裂或爆破弱化，阻斷采動(dòng)應(yīng)力傳遞路徑。③利用大巷，向保護(hù)煤柱上方頂板打長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行水力壓裂或爆破弱化，阻斷采動(dòng)應(yīng)力傳遞路徑。

上述技術(shù)方案須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體施工條件選擇，具體的技術(shù)方案另外研究制定。

2.2 一次主動(dòng)及時(shí)強(qiáng)力約束支護(hù)控制初期變形破壞（釋放圍巖近場(chǎng)應(yīng)力）

巷道掘出后必須立即加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，可采用“高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿+菱形金屬網(wǎng)/鋼筋網(wǎng)+W 鋼帶/M型鋼帶+大直徑錨索”為核心的強(qiáng)力主動(dòng)約束支護(hù)提高圍巖自承載能力，最大程度降低巷道初期變形速率并保持巷道周邊圍巖的整體性，緩慢釋放近場(chǎng)圍巖應(yīng)力，使圍巖最大限度的發(fā)揮塑性區(qū)承載能力而又不松動(dòng)破壞。

2.3 二次滯后高性能注漿介入改性強(qiáng)化支護(hù)（重構(gòu)圍巖再承載體系）

巷道掘出后，在合適的注漿時(shí)機(jī)（滯后相鄰回采工作面）對(duì)大巷破裂圍巖進(jìn)行高性能漿材注漿修復(fù)改性強(qiáng)化，重構(gòu)破裂圍巖力學(xué)性能與載荷傳遞能力，提高錨桿錨索錨固力，確保在圍巖中形成一個(gè)有效的承載拱受力結(jié)構(gòu)，以遏制圍巖裂隙向深部擴(kuò)展，保障巷道服務(wù)期內(nèi)圍巖的總變形量控制在允許范圍。

上述提出的山西焦煤正興煤業(yè)礦井開(kāi)拓大巷圍巖穩(wěn)定性控制策略在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中，可根據(jù)大巷所受采動(dòng)影響情況，考慮將大巷分為已受采動(dòng)影響段圍巖修復(fù)控制技術(shù)、后續(xù)將受采動(dòng)影響段圍巖補(bǔ)強(qiáng)控制技術(shù)2 種類(lèi)型進(jìn)行針對(duì)性治理。

3 開(kāi)拓大巷圍巖控制新技術(shù)與新材料

3.1 新型超高強(qiáng)抗彎剪注漿錨索支護(hù)技術(shù)

橫、切向高應(yīng)力作用下的錨索易出現(xiàn)扭曲失效現(xiàn)象，無(wú)法做到全長(zhǎng)錨固，此外，錨索體抗彎剪能力較低，常用7 股或19 股鋼絞線(xiàn)錨索有柔性特征。因此，增強(qiáng)錨索抗彎剪性能是當(dāng)前煤礦巷道圍巖控制中迫切需要解決的一個(gè)難題。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制了一種新型的超高強(qiáng)抗彎剪注漿錨索支護(hù)裝置與支護(hù)方法，主要包括錨索體、配套的托盤(pán)和鎖具、抗彎剪- 注漿一體化裝置等，如圖6 所示。其中，錨索可選擇1×7 或1×19 股高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，樹(shù)脂錨固長(zhǎng)度1.5～2.0 m，錨索托盤(pán)采用300 mm×300 mm×20 mm 高強(qiáng)托板及配套高強(qiáng)鎖具。在錨索安裝鎖具與托盤(pán)前，在錨索外部套上抗彎剪- 注漿一體化裝置。

圖6 新型抗彎剪注漿錨索結(jié)構(gòu)示意圖

抗彎剪- 注漿一體化裝置是抗彎剪注漿錨索核心裝置，包括抗彎剪鋼管、出漿孔、連接頭、進(jìn)漿管、密封圈等部分。其中，抗彎剪鋼管采用無(wú)縫鋼管制作，壁厚1.5 mm，外徑28 mm，長(zhǎng)度2.0～3.0 m（根據(jù)實(shí)際需要確定），輥壓螺紋，管壁上順序鉆有出漿孔。

抗彎剪鋼管尾端焊接連接頭，連接頭上焊接進(jìn)漿管，進(jìn)漿管與外部注漿泵連接。為防止?jié){液從鉆孔溢出，在抗彎剪鋼管外表面以及連接頭尾部分別設(shè)有密封圈。

注漿時(shí)，漿液流動(dòng)過(guò)程為注漿泵→進(jìn)漿管→連接頭→抗彎剪鋼管→出漿孔→錨索鉆孔→圍巖裂隙。注漿完成后，漿液漿使得錨索索體、抗彎剪鋼管與圍巖形成一個(gè)“索體- 漿體- 鋼管- 漿體- 圍巖”復(fù)合結(jié)構(gòu)整體，具有良好的抗彎剪效果。

3.2 基于納米改性的新型高性能水泥基注漿改性材料

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在多年注漿工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，采用超細(xì)粉磨生產(chǎn)加工的方式來(lái)制備無(wú)機(jī)高性能水泥漿液改性劑。主要化學(xué)成份為SiO2和Al2O3，其可溶性硅及鋁的含量不低于10%和8%。改性劑是采用機(jī)械研磨法生產(chǎn)加工，在粉碎的過(guò)程中顆粒與沖擊板及顆粒間的碰撞能量大部分轉(zhuǎn)化成顆粒的內(nèi)能和表面能，致使顆粒比表面積和比表面能增大，其力學(xué)性能發(fā)生明顯變化，使其強(qiáng)度、硬度、抗老化性、耐久性等性能指標(biāo)成倍提高。

通過(guò)掃描隧道顯微鏡分析，可以發(fā)現(xiàn)該新型改性劑明顯呈現(xiàn)出絮狀和網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)，如圖7所示。顆粒尺寸小，約10±5 nm，比表面積大，達(dá)到30%～40%的體積百分比。

圖7 新型漿液改性劑的微觀結(jié)構(gòu)圖

該新型改性劑對(duì)水泥漿液性能優(yōu)化提升的原理主要表現(xiàn)為：

1）提高漿液穩(wěn)定性。新型改性劑具有特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部充滿(mǎn)孔徑大小不等的空腔和孔道，具有較大開(kāi)放性，摻入水泥后，表現(xiàn)出一定的親水性，從而降低水泥漿液析水性。

2）改善漿液流動(dòng)性和滲透性。新型改性劑加入水泥漿液中，由于其布朗運(yùn)動(dòng)活潑，改變了水泥顆粒表面的電位、電荷，增大了顆粒的潤(rùn)濕角，使得水泥顆粒充分水化，形成以小顆?；驘o(wú)顆粒溶液（真溶液），滲透能力可以達(dá)到化學(xué)漿液效果。

3）提高漿液結(jié)石體強(qiáng)度。改性劑具有微充填效應(yīng)，改善了水泥凝固的三維結(jié)構(gòu)，改善水泥混凝土的堆積密度，既減表面水又減間隙水；同時(shí)改性劑中的活性氧化硅和活性氧化鋁參與水泥膠凝材料水化和凝結(jié)硬化過(guò)程，能與水泥水化時(shí)析出的游離氫氧化鈣Ca（OH）2反應(yīng)，生成水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣，促進(jìn)水泥水化，增加了C-S-H 凝膠的產(chǎn)物從而提高了水泥結(jié)石體強(qiáng)度。

為研究不同的新型無(wú)機(jī)水泥漿液改性劑摻量對(duì)水泥基漿液流變性能的影響，將新型漿液改性劑與普通水泥漿液流動(dòng)性能對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1：

由表可知：

1）改性劑用量由5% 增加到7% 時(shí)，水泥漿粘度先降后升，流動(dòng)性先升后降；改性劑用量由7% 增加到10% 時(shí)，水泥漿的粘度逐漸降低，流動(dòng)性逐漸升高，說(shuō)明改性劑用量高于7% 對(duì)水泥漿流動(dòng)性的影響較顯著且趨勢(shì)穩(wěn)定。

2）內(nèi)摻8%～10% ，水灰比0.5∶1.0～0.6∶1.0水泥漿的流動(dòng)度與1∶1 水泥漿的流動(dòng)度相當(dāng)。因此，從水泥漿流動(dòng)性角度考慮，漿液水灰比控制在0.5∶1～0.6∶1，改性劑用量為內(nèi)摻8%～10%最佳，此時(shí)漿液具有高流動(dòng)性，泵送性能好。

進(jìn)一步對(duì)內(nèi)摻8%～10% 時(shí)水灰比為0.5 的水泥漿液結(jié)石率和強(qiáng)度力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，見(jiàn)表2。

表2 新型漿液改性劑對(duì)普通水泥漿液強(qiáng)度性能的影響測(cè)試結(jié)果

由于新型改性劑能發(fā)揮多種綜合作用，漿液懸浮性增強(qiáng)，在低水灰比條件下，漿液仍具有很好流動(dòng)性；可以減緩離析沉淀，減水、縮短凝固時(shí)間，提高固結(jié)率和固化強(qiáng)度，顯著優(yōu)化了普通水泥漿液的性能，為保證巷道高質(zhì)量注漿施工質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

針對(duì)山西焦煤正興煤業(yè)礦井復(fù)合軟巖頂?shù)装鍑鷰r的實(shí)際情況，一種較為合理的新型高性能水泥基漿液的配比為：水泥（P.O.42.5）∶新型改性劑∶水=（0.45～0.50）∶0.05∶1。

3.3 錨注信息化精準(zhǔn)施工技術(shù)與工藝

注漿是一個(gè)“黑箱”過(guò)程，現(xiàn)有的注漿施工技術(shù)主要靠人工分析、決策、模糊判定，缺乏數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)，在注漿加固細(xì)節(jié)上，部分注漿孔的注漿壓力未達(dá)到設(shè)計(jì)值就被提前結(jié)束注漿，導(dǎo)致漿液滲透擴(kuò)散范圍不夠；還有一些注漿孔的漿液配比不達(dá)標(biāo)，漿液密度過(guò)小，雖然注漿量達(dá)到要求，但是漿液結(jié)石率很低，甚至由于漿液析水會(huì)進(jìn)一步惡化圍巖性質(zhì)，加劇圍巖破壞的發(fā)展。

因此，提出錨注巷道信息化施工方法，其主要核心思想是“信息化施工”，工藝流程如圖8 所示。

圖8 錨注信息化精準(zhǔn)施工方法

圖9 典型的錨注支護(hù)工程信息化精準(zhǔn)施工

信息化精準(zhǔn)注漿施工方法主要包含如下4 個(gè)方面的核心技術(shù)：

1）注漿智能數(shù)字化在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。利用數(shù)字監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，精準(zhǔn)獲得每一個(gè)注漿孔的注漿量、壓力、漿液密度、水灰比等信息。

2）注漿過(guò)程實(shí)時(shí)調(diào)控。根據(jù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，與相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)比較判斷，對(duì)注漿工作過(guò)程實(shí)時(shí)調(diào)控。

3）注漿效果綜合評(píng)價(jià)。注漿結(jié)束后，分析漿液總體分布特征及注漿量與相應(yīng)地層的匹配性，評(píng)價(jià)漿液滲透效果。

4）注漿參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)注漿評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行重新優(yōu)化調(diào)整，及時(shí)運(yùn)用到下一個(gè)注漿施工過(guò)程中。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)山西焦煤正興煤業(yè)礦井大埋深復(fù)雜構(gòu)造區(qū)強(qiáng)采動(dòng)復(fù)合頂板大巷，支護(hù)理念應(yīng)當(dāng)是允許圍巖破裂（釋放應(yīng)力），但必須對(duì)破裂后圍巖及時(shí)采取強(qiáng)力高效控制技術(shù)阻止圍巖沿著破壞面剪切錯(cuò)動(dòng)，抵抗破裂塊體滑移運(yùn)動(dòng)，在破裂圍巖中重構(gòu)形成新的高性能承載體系，遏制圍巖裂隙向深部的擴(kuò)展，有效控制圍巖變形發(fā)展，提出了“先釋后控、扛剪阻脹”的開(kāi)拓大巷及硐室圍巖穩(wěn)定性綜合控制策略，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。