鄭劍飛

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 晟泰公司， 山西 晉城 048000)

山西晉煤集團(tuán)古書(shū)院礦開(kāi)采15#煤層，煤層頂板為較堅(jiān)硬的石灰?guī)r，底板為較松軟的泥巖，同時(shí)兩幫煤體松軟且中間存在夾層。在該地質(zhì)條件下，巷道受采動(dòng)影響，特別是受動(dòng)壓影響時(shí)，容易出現(xiàn)圍巖失控現(xiàn)象，造成巷道圍巖大變形，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)。由于該類(lèi)巷道為軟巖巷道，兩幫軟化的煤巖體給鉆孔施工帶來(lái)困難，傳統(tǒng)的補(bǔ)打錨桿、錨索等支護(hù)方式很難有效控制巷道變形[1-2]. 而注漿加固技術(shù)利用液化注漿材料注入軟弱破碎圍巖體內(nèi)，漿液固結(jié)后能有效將軟弱破碎圍巖重新膠結(jié)[3]，形成一定的承載能力后控制圍巖變形，同時(shí)也為配合其他支護(hù)方式提供良好的施工條件[4-5]. 為解決古書(shū)院礦軟弱煤巖巷道在動(dòng)壓影響下頂板斷裂、底鼓等大變形失控問(wèn)題，分析了該礦軟弱煤巖失控巷道圍巖破壞機(jī)理，采取注漿加固與錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的方式，對(duì)其圍巖變形進(jìn)行控制。

1 工程概況

古書(shū)院礦1523101巷為早期掘進(jìn)巷道，巷道兩側(cè)分別為鳳凰山礦151307工作面和古書(shū)院礦152310工作面，目前這兩個(gè)工作面均未回采，巷道兩側(cè)均為實(shí)體煤，巷道上方為鳳凰山礦92312工作面采空區(qū)。在巷道掘進(jìn)1 000 m后開(kāi)始出現(xiàn)巷道底鼓/兩幫變形和頂板斷裂等大變形特征，巷道底鼓量達(dá)1 600 mm，兩幫移近量達(dá)1 400 mm，頂板靠右?guī)蛡?cè)已經(jīng)出現(xiàn)10～20 mm的縱向裂痕，嚴(yán)重影響了巷道的安全使用。同時(shí)，由于該巷作為152301工作面膠帶進(jìn)風(fēng)、運(yùn)輸順槽，服務(wù)年限較長(zhǎng)，因此有必要對(duì)其圍巖破壞機(jī)理進(jìn)行分析，采取有效的加固措施進(jìn)行圍巖控制，減少對(duì)該礦安全生產(chǎn)的威脅。巷道平面布置圖見(jiàn)圖1.

圖1 巷道平面布置圖

2 圍巖破壞機(jī)理分析及加固方案選擇

2.1 圍巖破壞機(jī)理分析

在地下巖土工程中，造成巷道失穩(wěn)破壞的根本原因是圍巖的高應(yīng)力賦存環(huán)境[6]，但同時(shí)也與圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)和施工因素有很大關(guān)系[7]. 其中，巷道煤巖體內(nèi)斷層、節(jié)理與裂隙等地質(zhì)構(gòu)造的存在將會(huì)降低圍巖的承載能力；地下水和溫度等工程環(huán)境也在一定程度上改變著圍巖的力學(xué)性質(zhì)；在掘進(jìn)過(guò)程中巷道類(lèi)型、斷面設(shè)計(jì)、支護(hù)方式及參數(shù)等也會(huì)對(duì)圍巖應(yīng)力分布造成影響，影響巷道穩(wěn)定[8-9]. 因此，為分析1523101巷圍巖破壞機(jī)理，對(duì)該巷所處的圍巖環(huán)境進(jìn)行了分析。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：

1) 該巷道底板為吸水性很強(qiáng)的泥巖，在水環(huán)境的作用下圍巖強(qiáng)度降低，從而降低了底板的穩(wěn)定性；兩幫煤巖體極為松軟，且含有夾層，使得該巷道在受地應(yīng)力的影響時(shí)容易造成巷道底鼓、兩幫變形。

2) 該區(qū)域受鳳凰山礦F45逆斷層(H=6.0 m，∠25°)及褶曲構(gòu)造影響，15#煤層局部起伏較大，使得部分巷道出現(xiàn)頂板破碎、煤厚傾角變化較大等現(xiàn)象。

3) 對(duì)該礦15#煤盤(pán)區(qū)進(jìn)行了3個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)試，其中最大水平應(yīng)力為9.45 MPa、最小水平應(yīng)力為7.11 MPa，3個(gè)測(cè)站的側(cè)壓系數(shù)σH/σV均大于1，以水平應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型。

綜合以上分析可以看出，該巷道圍巖的吸水軟化特性、斷層構(gòu)造以及高水平應(yīng)力等因素的共同作用是造成軟弱圍巖發(fā)生大變形的主要原因。在施工過(guò)程中，支護(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)方式及參數(shù)選擇的不合理也是造成巷道失控的因素。同時(shí)，由于圍巖較為破碎，難以為錨桿、錨索等提供有效載體，也是巷道發(fā)生持續(xù)變形、破壞的原因。

2.2 加固方案選擇

由于該巷道為軟巖破碎巷道，傳統(tǒng)、單一的支護(hù)方式很難對(duì)其圍巖變形進(jìn)行控制，需對(duì)圍巖進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。由前期注漿錨桿支護(hù)施工反饋，由于巷道兩幫煤巖體較為松軟破碎，現(xiàn)場(chǎng)施工成孔困難，塌孔嚴(yán)重?？梢?jiàn)，圍巖松軟破碎是造成巷道無(wú)法進(jìn)行常規(guī)支護(hù)的主要原因，掌握圍巖破碎現(xiàn)狀、提高圍巖的整體性及圍巖的承載能力是進(jìn)行其他支護(hù)的基礎(chǔ)和前提條件。而注漿加固通過(guò)固結(jié)破碎圍巖，提高圍巖的內(nèi)聚力和摩擦角，能較好地解決圍巖破碎問(wèn)題，使煤巖體成為具備一定承載能力的整體。因此，選擇采用注漿加固和高強(qiáng)錨桿、錨索支護(hù)的綜合加固方案。

3 綜合加固方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件，對(duì)古書(shū)院礦1523101巷先進(jìn)行起底、刷幫修復(fù)，達(dá)到設(shè)計(jì)斷面尺寸。根據(jù)圍巖破壞機(jī)理分析可知，巷道部分區(qū)域的頂板受到斷層等構(gòu)造的影響，但破碎程度較小，對(duì)其頂板僅采用錨桿錨索進(jìn)行支護(hù)即可達(dá)到有效支護(hù)。而對(duì)于巷道兩幫，由于圍巖受水平應(yīng)力影響變形量較大，破碎嚴(yán)重，需先對(duì)兩幫進(jìn)行注漿加固，提高圍巖承載能力，為之后的錨桿錨索支護(hù)提供有效載體，控制巷道圍巖變形。具體加固順序?yàn)轫敯邋^桿錨索支護(hù)、兩幫注漿→兩幫錨桿、錨索支護(hù)。

3.1 頂板支護(hù)

1) 在頂板裂縫兩側(cè)打設(shè)錨索進(jìn)行支護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂縫寬度和原有支護(hù)參數(shù)，確定錨索支護(hù)的間排距為1 000 mm×3 000 mm，均垂直頂板巖層打設(shè)。2) 采用SKP22-1/1860-6300型高強(qiáng)度低松弛鋼絞線錨索，錨索d22 mm、長(zhǎng)度6 300 mm、端部設(shè)有樹(shù)脂錨固劑攪拌頭。3) 錨索加長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固，即采用一支MSK2335和兩支MSZ2360樹(shù)脂錨固劑錨固。4) 鉆孔d28 mm，錨固長(zhǎng)度1 486 mm，預(yù)緊力≥250 kN，其頂板支護(hù)布置圖見(jiàn)圖2.

圖2 頂板支護(hù)布置圖

3.2 兩幫注漿加固

3.2.1注漿加固材料

注漿材料是注漿加固的核心，決定了注漿加固的質(zhì)量，因此，在注漿加固前應(yīng)對(duì)注漿材料進(jìn)行合理選擇[10]. 由于有機(jī)材料成本高、存在火災(zāi)隱患以及污染環(huán)境，該次注漿材料選用無(wú)機(jī)注漿材料。聯(lián)邦加固Ⅱ號(hào)是晉煤集團(tuán)研究出的一種快凝、早強(qiáng)新型無(wú)機(jī)雙液注漿加固材料，同時(shí)也具備較強(qiáng)的可注性。單液在6 h內(nèi)不凝固、不泌水、不沉淀，混合后凝結(jié)時(shí)間為3～10 min，1～8 h的強(qiáng)度能達(dá)到8～15 MPa，其性能見(jiàn)表1.

表1 聯(lián)邦加固Ⅱ號(hào)無(wú)機(jī)注漿材料性能表

在進(jìn)行兩幫注漿加固過(guò)程中，注漿加固順序?yàn)閮蓭蜏\部注漿加固→兩幫深部注漿加固→錨桿、錨索加固。在注漿過(guò)程中，由于圍巖較破碎，為防止煤巖體漏漿，將材料的水灰比控制為0.8∶1，在該水灰比條件下漿液具有良好的黏稠性和可泵送性，同時(shí)其固結(jié)體強(qiáng)度滿足注漿加固需求。

3.2.2注漿加固參數(shù)

淺部注漿孔參數(shù)：注漿鉆孔沿巷道兩幫成排布置，相鄰兩排注漿鉆孔呈三花眼布置。注漿孔排距全部3 000 mm，淺部注漿孔間距1 100 mm. 當(dāng)兩幫松軟破碎時(shí)，利用自鉆式中空注漿錨桿打孔形成注漿通道；當(dāng)兩幫完整時(shí)，采用d56 mm地質(zhì)鉆機(jī)對(duì)兩幫底角鉆孔進(jìn)行成孔，其余注漿鉆孔采用d42 mm錨桿鉆機(jī)打孔。鉆孔深度均為3 000 mm，兩幫底部鉆孔角度下仰10°，其余鉆孔均垂直于巷幫。在注漿過(guò)程中，當(dāng)采用中空注漿錨桿作為注漿通道時(shí)，應(yīng)該在注漿錨桿距尾部1 000 mm范圍纏繞棉紗形成封孔，通過(guò)注漿錨桿進(jìn)行注漿。當(dāng)采用埋孔口注漿管進(jìn)行注漿時(shí)，孔內(nèi)下射漿管，全長(zhǎng)一次注漿施工，注漿孔射漿管長(zhǎng)度2 000 mm，封孔深度為1 000 mm. 注漿終止壓力1～2 MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整。

深部注漿孔參數(shù)：注漿孔排距全部3 000 mm，孔間距1 500 mm，采用d42 mm錨桿鉆機(jī)垂直于巷幫打孔，孔深8 000 mm. 在注漿過(guò)程中，全部鉆孔采用埋孔口注漿管，孔內(nèi)下射漿管，全長(zhǎng)一次注漿施工，注漿孔射漿管長(zhǎng)度7 000 mm，封孔深度為1 000 mm. 注漿終止壓力4～6 MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整。深淺部鉆孔布置見(jiàn)圖3，圖中白色孔為淺層注漿孔，黑色孔為深層注漿孔。

圖3 深、淺部注漿鉆孔布置示意圖

當(dāng)淺部圍巖較為破碎時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)局部漏漿，可采用間歇注漿的方式形成堵漏，堵漏或壓水后復(fù)注，對(duì)漏漿嚴(yán)重導(dǎo)致停注的區(qū)域補(bǔ)打注漿孔。

3.3 兩幫支護(hù)

巷道兩幫圍巖無(wú)機(jī)材料注漿施工完成7 d后，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)施工。1) 采用MSGLW-400的20#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋錨桿，長(zhǎng)度2 000 mm，桿尾螺紋為M20 mm，錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，垂直巷幫打設(shè)；采用規(guī)格為MSK2335和MSZ2360的兩支樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行錨固，錨固長(zhǎng)度為1 092 mm，托板規(guī)格為100 mm×100 mm×8 mm. 2) 采用規(guī)格為W235的W鋼護(hù)板護(hù)表對(duì)兩邊進(jìn)行壓邊，同時(shí)采用50 mm×50 mm的10#鉛絲編織網(wǎng)片進(jìn)行護(hù)表，規(guī)格為2 200 mm×1 100 mm. 3) 錨索采用d17.8 mm的1×7股高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度為5 300 mm，采用三支樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，1支規(guī)格為MSK2335，另2支規(guī)格為MSZ2360，樹(shù)脂錨固長(zhǎng)度為1 406 mm；預(yù)應(yīng)力錨索沿巷道斷面成三花布置，排距2 000 mm，每排布置2根錨索，間距1 500 mm. 具體支護(hù)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖4.

圖4 兩幫支護(hù)布置圖

4 工程效果

為掌握注漿-錨桿錨索加固后的圍巖變形情況，對(duì)注漿加固后錨索的受力情況和加固后的圍巖變形進(jìn)行布點(diǎn)觀測(cè)，對(duì)典型的測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測(cè)點(diǎn)1和2的錨索受力隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖5，測(cè)點(diǎn)的圍巖變形曲線見(jiàn)圖6.

圖5 兩幫錨索受力監(jiān)測(cè)曲線圖

圖6 巷道位移曲線圖

從圖5可以看出，經(jīng)過(guò)聯(lián)合支護(hù)后，在前80天內(nèi)，錨索受力一直保持增加，之后基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。錨索受力增大表明巷道整體性得到明顯提高，為錨索受力提供了良好的載體，錨索對(duì)控制圍巖變形起到了一定的抑制作用。同時(shí)，后期錨索受力基本穩(wěn)定，受力變化很小，說(shuō)明巷道注漿加固后幫錨索很好地控制了巷道圍巖的變形；反過(guò)來(lái)巷道圍巖穩(wěn)定保證了錨索的受力不是一直增大，而是逐漸穩(wěn)定，錨索支護(hù)起到了預(yù)期的支護(hù)效果，有效控制了巷幫圍巖的變形。

由圖6可以看出，聯(lián)合支護(hù)后的巷道兩幫及頂?shù)装逦灰凭憩F(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)，其中，1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)的兩幫移近量穩(wěn)定在22 mm和3 mm左右，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在25 mm和24 mm左右，巷道變形量均較小，表明經(jīng)過(guò)聯(lián)合支護(hù)加固后的破碎軟巖巷道變形得到了較好的控制。

5 結(jié) 論

1) 分析了軟弱圍巖巷道失控機(jī)理，賦存環(huán)境、高水平構(gòu)造應(yīng)力等因素的共同作用是造成軟弱圍巖大變形的主要原因。同時(shí)，施工過(guò)程中支護(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)方式及參數(shù)選擇的不合理也是造成巷道失控的因素。

2) 解決圍巖破碎現(xiàn)狀、提高圍巖的整體性及圍巖的承載能力是進(jìn)行其他支護(hù)方式的基礎(chǔ)和前提條件。提出了以注漿加固通過(guò)固結(jié)破碎圍巖為基礎(chǔ)，采用高強(qiáng)錨桿、錨索支護(hù)的綜合加固方案。

3) 經(jīng)過(guò)綜合加固后，破碎圍巖整體性得到明顯提高，錨索受力穩(wěn)定，能夠很好地抑制圍巖變形，同時(shí)巷道變形較小，巷道穩(wěn)定性提高。