郭東杰

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 成莊礦，山西 晉城 048000)

雙側(cè)采動(dòng)應(yīng)力影響大巷圍巖變形控制一直是煤礦井下工程的一大難題。隨著煤礦開采強(qiáng)度提升，強(qiáng)采動(dòng)影響下的開采和支護(hù)與日俱增，劇烈的礦山壓力顯現(xiàn)與復(fù)雜多變的圍巖條件、高密度的巷道布置等不利因素疊加影響，導(dǎo)致動(dòng)壓影響巷道支護(hù)難度進(jìn)一步增加，巷道斷面嚴(yán)重收縮導(dǎo)致無法滿足安全使用要求[1-4]。巷道收縮變形實(shí)質(zhì)是圍巖裂隙發(fā)育擴(kuò)展的結(jié)果，因此如何盡量恢復(fù)變形后破碎圍巖的完整性是巷道加固修復(fù)的關(guān)鍵。注漿加固技術(shù)能原位加固修復(fù)破碎巖體完整性，廣泛應(yīng)用于破碎巖土工程加固，取得了顯著的效果[5-8]。

本文結(jié)合晉煤成莊礦受雙側(cè)采動(dòng)影響盤區(qū)大巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，在變形特點(diǎn)調(diào)研、圍巖裂隙窺視和數(shù)值模擬分析，并結(jié)合強(qiáng)力支護(hù)理論的基礎(chǔ)上，提出對(duì)破碎圍巖進(jìn)行改性—支護(hù)綜合控加固技術(shù)。通過理論計(jì)算確定進(jìn)行注漿參數(shù)設(shè)計(jì)，成功應(yīng)用于盤區(qū)大巷加固施工。

1 工程概況

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

2102巷、2103巷和2104巷為成莊礦二盤區(qū)大巷，埋深約440m，服務(wù)于整個(gè)二盤區(qū)回采工作面，巷道斷面為直墻半圓拱型(寬×高=5.3m×4.15m)，均沿3#煤層底板掘進(jìn)，巷間凈煤柱尺寸為25m。二盤區(qū)工作面為兩翼綜放開采，如圖1所示，終采線與緊鄰大巷之間保護(hù)煤柱尺寸為90～135m，工作面均已回采。盤區(qū)大巷一側(cè)(2104巷側(cè))工作面回采時(shí)三條大巷對(duì)應(yīng)區(qū)段便產(chǎn)生過較嚴(yán)重的變形，隨后礦方對(duì)變形區(qū)段進(jìn)行巷修維護(hù)，一段時(shí)間內(nèi)巷道基本達(dá)到穩(wěn)定，巷道圍巖變形得到了控制。但隨著另一側(cè)(2102巷側(cè))工作面的回采，受雙側(cè)采動(dòng)影響后，導(dǎo)致三條大巷對(duì)應(yīng)區(qū)段巷道產(chǎn)生了持續(xù)強(qiáng)烈的二次變形，其中，2013巷幫部收斂變形達(dá)到1.3m，頂?shù)装迨諗孔冃芜_(dá)到1.6m，已經(jīng)嚴(yán)重影響帶式輸送機(jī)運(yùn)輸和乘人架空裝置運(yùn)行。前期礦方對(duì)2103巷受動(dòng)壓影響區(qū)段已經(jīng)進(jìn)行過巷修維護(hù)，仍未有效控制巷道圍巖變形，而且二盤區(qū)下部還有多個(gè)工作面需要進(jìn)行回采，急需采取有效的技術(shù)方案進(jìn)行徹底加固處理，保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和行人安全。

圖1 2103巷平面布置(m)

1.2 地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

區(qū)域3#煤層均厚7.0m，松軟破碎，強(qiáng)度低；直接頂和老頂分別為1.4m厚的細(xì)砂巖、7.3m厚的中粒砂巖，巖體強(qiáng)度較高，完整性好；直接底和老底分別為1.1m厚泥巖、6.7m厚泥巖和砂質(zhì)泥巖互層，水平節(jié)理發(fā)育，強(qiáng)度低，遇水易軟化。

區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)類型為σH>σv>σh，σH占優(yōu)勢(shì)，最大主應(yīng)力值為12.91MPa，垂直主應(yīng)力為11.87MPa，主應(yīng)力差(σH-σh)/σH為0.51，構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)的中等高應(yīng)力值區(qū)域，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼珫|85°。

結(jié)合2103巷圍巖變形程度共布置了4組測(cè)站，鉆孔深度8.0m，對(duì)2103巷受采動(dòng)應(yīng)力影響變形后圍巖裂隙發(fā)育程度進(jìn)行了詳查。窺視結(jié)果顯示，2103巷頂板巖層破壞深度達(dá)到4.5m；幫部煤體破壞深度達(dá)到了8.0m，采動(dòng)壓力對(duì)巷幫煤體破壞作用更大，這與回采引起的煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力值升高有很大關(guān)系，幫部4.0m深度以內(nèi)煤體十分破碎，裂隙分布數(shù)量多且張開度很大，4.0～8.0m范圍煤體裂隙分布數(shù)量少且張開度較小。2103巷圍巖產(chǎn)生大變形的主要原因是相鄰工作面強(qiáng)烈采動(dòng)影響導(dǎo)致巷道圍巖受高應(yīng)力反復(fù)加載、擠壓，由淺部至深部原生裂隙二次擴(kuò)展和新生裂隙的發(fā)育，致使圍巖殘余強(qiáng)度急劇降低，高應(yīng)力往深部轉(zhuǎn)移，深部煤巖體受到的載荷增大發(fā)生屈服、剪切滑移變形，如此反復(fù)圍巖強(qiáng)度持續(xù)劣化，支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不斷弱化，最終失穩(wěn)變形。

2 破碎圍巖加固作用機(jī)理

對(duì)于受強(qiáng)采動(dòng)影響的巷道，圍巖變形實(shí)質(zhì)是圍巖內(nèi)部的離層、滑移，裂隙張開擴(kuò)展。結(jié)構(gòu)面對(duì)支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的影響數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明[9]，裂隙的存在對(duì)錨桿(錨索)支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的影響顯著，由于圍巖內(nèi)裂隙的存在，導(dǎo)致錨桿壓應(yīng)力區(qū)不再連續(xù)，預(yù)應(yīng)力的傳遞也受到影響，這時(shí)的支護(hù)效果最差。2103巷經(jīng)受相鄰兩側(cè)工作面動(dòng)壓影響后，圍巖產(chǎn)生變形破壞，表面位移增大，實(shí)質(zhì)是圍巖內(nèi)部裂隙寬度、長(zhǎng)度以及新裂隙數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，裂隙的存在會(huì)顯著降低主動(dòng)支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散范圍，削弱錨桿索的支護(hù)效果，尤其是淺部裂隙的存在對(duì)支護(hù)效果影響最大，中部次之，深部最小。成莊大巷單純采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，巷道頂板、兩幫已發(fā)生破碎或離層，錨索的預(yù)緊力被離層隔斷，無法往圍巖深部有效擴(kuò)散，對(duì)破碎圍巖支護(hù)效果很差。因此針對(duì)破碎圍巖進(jìn)行二次加固支護(hù)時(shí)應(yīng)當(dāng)將注漿改性—支護(hù)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，是控制此類巷道變形的有效途徑。

成莊礦2103巷受雙側(cè)采動(dòng)壓力影響后，圍巖已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的碎脹變形，裂隙十分發(fā)育，單一的錨索支護(hù)存在錨固力低、預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍小的缺陷，無法充分發(fā)揮其主動(dòng)支護(hù)能力，針對(duì)破碎圍巖巷道加固應(yīng)在重塑圍巖結(jié)構(gòu)完整性基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)巷道圍巖的主動(dòng)支護(hù)，先注漿改性后支護(hù)是較理想的加固技術(shù)。通過外部壓力將漿液注入受采動(dòng)影響后的破碎圍巖中，凝固后形成結(jié)石體充填裂隙，恢復(fù)碎裂巖體完整性；注漿后破碎圍巖基本恢復(fù)連續(xù)狀態(tài)，但承載能力仍較弱，采用高預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)其施加強(qiáng)力邊界條件，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，增強(qiáng)注漿后圍巖承載能力，阻止圍巖再次破壞，確保加固后的巷道圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定[10-15]。

圖2 結(jié)構(gòu)面對(duì)支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的影響

3 注漿加固參數(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 注漿參數(shù)理論計(jì)算

3.1.1 注漿壓力選取

滲透注漿的最小注漿壓力主要由3部分組成[16]：管路壓力損失p1、滲透壓力p2、注漿管水頭壓力差壓力損失p3。

1)p1包含輸漿管、注漿管和出漿孔阻力等組成，其中，輸漿管阻力占主要影響因素。因此管道流體壓力損失公式如下：

0.013×(100/0.025)×1700×2.22/2=0.2MPa

(1)

式中，p1為管路壓力損失，MPa；λ為高壓管沿程阻力系數(shù)，λ=64/Re=0.013，其中，Re為雷諾數(shù)Re=ρvd/μ；l為管路長(zhǎng)度，取100m；d為管路直徑，取0.025m；ρ為水泥漿液密度，取1.7×103kg/m3；ν為漿液流速，取2.2m/s。

2)滲透壓力p2要小于由弱面控制的圍巖體的抗拉強(qiáng)度Rt。

3)注漿管水頭壓力差壓力損失p3主要考慮注頂板鉆孔時(shí)情況，巷道頂板注漿孔是垂直布置。

p3=γ1Δh=1.7×103×10×4=0.068MPa

式中，γ1為漿液容重，N/m3；Δh為注漿管高差，m。

松軟破碎煤巖體注漿的最小注漿壓力為：

ps=p1+p2+p3=1.885MPa

(2)

注漿壓力和擴(kuò)散半徑是一對(duì)相輔相成的參數(shù)，相互之間呈正比關(guān)系。根據(jù)成莊礦多年注漿工程經(jīng)驗(yàn)，確定淺孔注漿壓力為2～4MPa，深孔注漿孔注漿壓力為6～8MPa(孔口)。

3.1.2 擴(kuò)散半徑

破碎煤巖體注漿按Maag擴(kuò)散公式計(jì)算擴(kuò)散半徑：

式中，R為擴(kuò)散半徑，cm；r0為注漿孔半徑，取1.8cm，p為注漿壓力，厘米水頭，H=p/γ=p/ρg=3×106/1.714×104=17500cm；k為滲透系數(shù)，取1.5cm/s；t為注漿時(shí)間，取600s；n為孔隙率，測(cè)試表明無煙煤n=0.47～0.53；β為漿液粘度對(duì)水的粘度比，取20。

將各參數(shù)帶入式(3)中得出成莊礦3#煤巷幫水泥注漿漿液擴(kuò)散半徑為：

=200cm=2.0m

注漿孔間排距在漿液擴(kuò)散半徑基礎(chǔ)上按照盡量降低注漿工程造價(jià)和保證最佳充填效果兩方面綜合考慮確定，一般注漿孔間排距小于2倍的擴(kuò)散半徑。根據(jù)注漿工程經(jīng)驗(yàn)，排距m和間距n分別為1.74倍和1.6倍的擴(kuò)散半徑，即：排距m=1.74R=3.48m，n=1.6R=3.2m。為保證注漿效果，最終選取間距2m，排距為3m。

3.2 注漿材料與參數(shù)

1)采用可注性強(qiáng)、流動(dòng)性好、滲透性強(qiáng)、粘結(jié)性好的聯(lián)邦加固Ⅰ號(hào)作為注漿材料，水灰比為0.6∶1～0.8∶1。

2)注漿鉆孔參數(shù)。注漿孔布置如圖3所示，幫、頂淺孔分別為3m和5m，深孔為8m，直徑36～58mm，間距1.8～2.0m，排距3m，采用深淺孔交替布置以增強(qiáng)漿液擴(kuò)散效果。淺、深孔注漿終孔壓力分別為4MPa和6MPa，注漿工序遵循由淺入深，由低到高的順序。

圖3 加固支護(hù)斷面圖(mm)

3)注漿錨索參數(shù)。注漿后采用強(qiáng)力錨索進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)控制2103巷圍巖長(zhǎng)期流變變形。錨索規(guī)格為SKP22-1/1720-7400，索體極限破斷力550kN，最大力總延伸率不小于5%，配合高強(qiáng)度鎖具和拱形可調(diào)心托板，間距×排距=1.8m×2.0m。采用一支MSK2335和兩支MSZ2360樹脂錨固劑錨固，幫、拱錨索預(yù)緊力分別不低于150kN和250kN，張拉后進(jìn)行注漿，注漿工藝同上，終止壓力2～3MPa。

3.3 2103巷施工情況及加固效果分析

3.3.1 施工情況

2103巷加固長(zhǎng)度426m，打設(shè)注漿鉆孔1388個(gè)，其中施工3m注漿孔308個(gè)，5m注漿孔463個(gè)，8m注漿孔617個(gè)，消耗聯(lián)邦加固Ⅰ號(hào)567.14t。圍巖支護(hù)施工錨索878根。沿巷道走向各區(qū)域材料消耗分布情況如圖4所示，2103巷幫頂每排注漿鉆孔消耗注漿材料均量為4.0t，消耗量集中在3～6t之間，僅有少數(shù)幾排注漿鉆孔消耗量達(dá)到6t以上。通過注漿量統(tǒng)計(jì)總體分析2103巷加固區(qū)域注漿材料分布情況，圍巖變形嚴(yán)重區(qū)域，注漿材料消耗量普遍較大，各區(qū)域材料消耗量與巷道圍巖變形情況一致，注漿量大小真實(shí)反映了區(qū)域圍巖破壞情況。

圖4 2103巷幫頂聯(lián)邦Ⅰ號(hào)注漿材料分布

3.3.2注漿施工效果

2103巷9#橫川至12#橫川之間巷道加固施工完成后，為了檢測(cè)注漿效果，在局部區(qū)域進(jìn)行了鉆孔窺視，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)注漿充填效果進(jìn)行了觀察。一共布置了8個(gè)鉆孔，其中頂板鉆孔4個(gè)，孔深8000～9000mm，巷幫鉆孔4個(gè)，孔深6000～8000mm。窺視結(jié)果表明，注漿施工后聯(lián)邦加固Ⅰ號(hào)結(jié)石體對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行了有效充填，裂隙內(nèi)形成了較完整的充填層，充填體填塞裂隙后有效重塑了破碎圍巖體的結(jié)構(gòu)，保證錨桿、錨索將力傳遞到圍巖深部，起到控制巷道圍巖變形的作用，保證了巷道的安全。

3.3.3 注漿后煤巖體錨固力影響分析

對(duì)2103巷受雙側(cè)采動(dòng)影響后幫部煤體注漿前后錨索預(yù)緊力進(jìn)行了張拉試驗(yàn)。結(jié)果表明，注漿后錨索預(yù)緊力增長(zhǎng)幅度為20%～39%之間，說明通過注漿對(duì)破碎圍巖的充填膠結(jié)作用，顯著提高了圍巖的可錨性，保證錨索支護(hù)初期對(duì)圍巖施加較高的預(yù)緊力，增強(qiáng)了錨索對(duì)破碎圍巖的約束效果。

3.3.4 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

2103巷圍巖變形量如圖5所示，從巷道圍巖表面位移結(jié)果看，對(duì)2103巷破碎圍巖進(jìn)行注漿改性和二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，巷道圍巖整體變形量很小，兩幫最大收縮量為50mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?5mm，說明進(jìn)行注錨綜合加固施工后有效控制了2103巷圍巖變形。

圖5 2103巷圍巖變形量

4 結(jié) 論

1)受相鄰工作面多次強(qiáng)采動(dòng)影響產(chǎn)生的高應(yīng)力反復(fù)加載、擠壓，誘發(fā)煤巖體發(fā)生屈服、剪切滑移等碎脹變形，導(dǎo)致大巷圍巖松散破碎，殘余強(qiáng)度急劇劣化，支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性喪失，是大巷失穩(wěn)變形的直接原因。故必須進(jìn)行注漿加固，提高圍巖完整性和穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上開展主動(dòng)支護(hù)設(shè)計(jì)。

2)聯(lián)邦加固Ⅰ號(hào)注漿的作用主要表現(xiàn)為，漿液注入破碎圍巖裂隙，凝固后的結(jié)石體充填、嵌入破碎圍巖內(nèi)部裂隙，恢復(fù)其完整性，依靠結(jié)石體的高抗壓強(qiáng)度，阻止圍巖擴(kuò)容性破壞向深部發(fā)展。注漿充填改性后采用高預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)圍巖施加強(qiáng)力邊界條件，可有效傳遞錨索等支護(hù)體施加于圍巖表面的預(yù)應(yīng)力，擴(kuò)大錨索對(duì)圍巖支護(hù)的作用范圍和深度，進(jìn)一步提升支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的承載能力，確保加固后的巷道圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定。

3)巷道各區(qū)域材料消耗量與巷道圍巖變形情況一致，注漿量大小真實(shí)反映了區(qū)域圍巖破壞程度，使用的注漿材料與現(xiàn)場(chǎng)條件相適應(yīng)。聯(lián)邦加固Ⅰ號(hào)漿液在0.6∶1～0.8∶1的低水灰比、高結(jié)石率、高強(qiáng)度條件下，具有良好的可注性，能夠注入0.5mm左右的窄小縫隙，顯著提高了破碎圍巖完整性，改善了破碎圍巖結(jié)構(gòu)。確定的注漿參數(shù)與施工工藝合理、可靠，為破碎圍巖下的重要井巷工程修復(fù)提供了可靠手段。

4)注漿加固重塑了破碎圍巖結(jié)構(gòu)，全區(qū)域幫頂錨索鉆孔一次成孔率達(dá)到90%以上；錨索預(yù)緊力普遍達(dá)到180kN以上，顯著提高了破碎圍巖可錨性；針對(duì)雙側(cè)采動(dòng)影響巷道，采用注漿改性后主動(dòng)支護(hù)的綜合加固技術(shù)，顯著提高了圍巖抗擾動(dòng)能力，加固后錨索受力均勻，兩幫最大收縮量為50mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?5mm，有效控制了巷道破碎圍巖變形，加固效果顯著。