支光輝，劉少偉,2,賀德印，付孟雄 ，賈連鑫，曾得國(guó)，于 濤

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000; 3.神華能源股份有限公司神東煤炭分公司，陜西 神木 719315; 4.河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司,河南 新鄭 451100)

我國(guó)地域遼闊，煤炭賦存條件復(fù)雜多樣，“三軟”煤層廣泛分布于我國(guó)許多礦區(qū)，資源總儲(chǔ)量十分豐富。由于 “三軟”煤體黏聚力低、強(qiáng)度低、承載能力差，頂?shù)装鍘r層條件差，巷道圍巖松軟破碎程度高等問(wèn)題，給巷道圍巖支護(hù)帶來(lái)了不少難題[1-2]。為解決高應(yīng)力軟巖巷道破壞嚴(yán)重、巷道變形量大和支護(hù)困難等問(wèn)題，錨網(wǎng)索耦合支護(hù)、圍巖注漿及底板錨索等方法被提出，并取得了良好的支護(hù)效果[3-7]。強(qiáng)幫強(qiáng)角支護(hù)技術(shù)的提出和應(yīng)用，有效提高了松軟破碎巷道圍巖幫部和角部穩(wěn)定性，提高了頂板支護(hù)效果[8-10]。針對(duì)軟弱圍巖煤巷支護(hù)難題，以注漿為核心的錨注加高強(qiáng)度錨桿錨索圍巖控制方式，有效控制了煤巷圍巖的變形和破壞[11-14]。針對(duì)動(dòng)壓影響下軟巖巷道圍巖破碎、變形嚴(yán)重等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)圍巖變形破壞特征分析，提出了以圍巖注漿改性為基礎(chǔ)，并配合錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，有效控制動(dòng)壓影響下圍巖的變形破壞[15-17]。針對(duì)軟巖巷道圍巖大變形及巷道支護(hù)存在問(wèn)題，結(jié)合相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果提出了分步聯(lián)合支護(hù)措施，充分考慮了各種支護(hù)措施的時(shí)空關(guān)系，提高了圍巖控制效果[18-19]。為有效解決高地壓破碎軟巖巷道大變形和支護(hù)失效問(wèn)題，提出了恒阻讓壓支護(hù)技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用降低了巷道圍巖變形量，有效增強(qiáng)了“三軟”巷道圍巖穩(wěn)定性[20-22]。

針對(duì)多類型特定條件下的現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)難題，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了豐富且有效的研究，為松軟、破碎等困難條件下圍巖控制提供了有效的技術(shù)或方法，為巷道圍巖控制技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，可看出上述研究幾乎都以改善圍巖條件，加大支護(hù)強(qiáng)度為主線，圍巖注漿在上述相關(guān)研究中被廣泛應(yīng)用。對(duì)于松軟、破碎等一些困難條件成孔、封孔及注漿等問(wèn)題有較大的研究空間。

因此，針對(duì)趙家寨礦“三軟”煤層巷道圍巖局部松軟破碎嚴(yán)重，錨固孔成孔困難及錨固力低下、注漿封孔效果差等問(wèn)題，擬研發(fā)一種鉆封注一體化注漿錨桿，以簡(jiǎn)化松軟破碎煤巷注漿及錨固流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)松軟破碎圍巖改性，增強(qiáng)巷道煤體可錨性，從而有效解決松軟及破碎煤體錨固的瓶頸問(wèn)題。

1 鉆封注一體化錨桿設(shè)計(jì)及其錨固機(jī)理

1.1 鉆封注一體化注漿錨桿設(shè)計(jì)

針對(duì)“三軟”煤層巷道圍巖局部破碎程度較高、錨固孔成孔困難、錨固力低下等特點(diǎn)，研發(fā)了一種鉆封注一體化注漿錨桿，相較于已有注漿錨桿等相關(guān)產(chǎn)品，該注漿錨桿集錨固孔鉆進(jìn)、封孔、注漿及錨固等工序?yàn)橐惑w，簡(jiǎn)化了松軟及破碎圍巖的加固和支護(hù)施工流程，鉆封注一體化注漿錨桿主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆封注一體化注漿錨桿結(jié)構(gòu)Fig.1 Grouting bolt structure of integration of drilling-sealing-injection

該注漿錨桿主要由四翼注漿鉆頭、端部纏繞鐵絲、封孔橡膠圈、預(yù)緊套管、預(yù)緊螺母等結(jié)構(gòu)組成。具有下述特點(diǎn):① 針對(duì)松軟破碎煤巷圍巖，四翼注漿鉆頭可一次性完成煤體的鉆進(jìn)及注漿加固等工序;② 桿體尾部設(shè)置有一段螺紋結(jié)構(gòu)，桿體下部一定范圍內(nèi)交替安裝封孔橡膠圈和墊片，套上預(yù)緊套管后再擰緊預(yù)緊螺母，封孔橡膠圈在擠壓的作用下，將發(fā)生徑向變形，充滿桿體和孔壁之間的空間，實(shí)現(xiàn)注漿封堵;③ 在注漿加固后，將注漿錨桿保留在圍巖內(nèi)，由于漿液對(duì)桿體的黏結(jié)作用，充當(dāng)錨桿發(fā)揮對(duì)圍巖錨固作用;④ 注漿錨桿可根據(jù)煤巷圍巖松軟破碎范圍進(jìn)行接長(zhǎng)，以適應(yīng)不同松軟破碎范圍的注漿加固。

1.2 鉆封注一體化注漿錨桿錨固機(jī)理

1.2.1 鉆封注一體化注漿作用機(jī)理

注漿加固作為一種強(qiáng)化巷道圍巖強(qiáng)度的有效方法，通過(guò)注漿可有效的提高松軟及破碎圍巖的整體性及圍巖自身的承載及穩(wěn)定能力，為后續(xù)的錨桿支護(hù)施工提供一個(gè)良好的圍巖條件。其作用機(jī)理主要包括:

① 注漿液形成的膠結(jié)體可封堵松軟、破碎煤體裂隙，增強(qiáng)松軟及破碎圍巖完整性，從而防止圍巖自身強(qiáng)度的降低;② 注漿對(duì)煤巖體中的裂隙進(jìn)行充填密實(shí)，避免了松軟破碎煤體內(nèi)部在承載過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力集中，改善了松軟煤巖體的破壞機(jī)制;③ 在較大注漿壓力作用下，漿液滲入煤巖體深部裂隙中，形成的膠結(jié)結(jié)構(gòu)作為新的圍巖結(jié)構(gòu)，使松軟及破碎煤巖體具有較高的殘余強(qiáng)度，防止煤巖內(nèi)部裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展。

1.2.2 鉆封注一體化注漿錨桿錨固界面力學(xué)特征

水泥漿液作為松軟、破碎煤體注漿常用注漿液，漿液凝固之后，水泥注漿液將孔壁圍巖與桿體黏結(jié)在一起，鉆封注一體化注漿錨桿將對(duì)圍巖發(fā)揮支護(hù)作用。注漿時(shí)漿液向四周放射性擴(kuò)散，圍巖內(nèi)部將形成類似于圖2所示“拳頭”狀擴(kuò)散區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)鉆孔附近煤體將被加固為密實(shí)的整體，形成的加固且密實(shí)煤體形狀可簡(jiǎn)化為楔形錨固結(jié)構(gòu)，在漿液黏結(jié)作用下與錨桿共同加固圍巖。根據(jù)該區(qū)域錨桿錨固界面特點(diǎn)，可將鉆封注一體化注漿錨桿的錨固分為2種類型，分別為正常柱面錨固段和頂端楔形錨固段。根據(jù)錨固界面形狀的變化，注漿錨桿錨固段受力特點(diǎn)可簡(jiǎn)化為圖2所示的受力狀態(tài)。

圖2 錨固界面受力示意Fig.2 Schematic diagram of the stress at the anchoring interface

錨桿的錨固力不僅和水泥漿液與錨桿及孔壁的黏結(jié)力有關(guān)，同時(shí)還與水泥漿液與圍巖體之間的支撐力有關(guān)[23]，此時(shí)鉆封注一體化注漿錨桿錨固力PL為

PL=P1+P2

(1)

式中，P1為水泥漿液與孔壁之間的黏結(jié)力，kN;P2為圍巖對(duì)水泥漿液固結(jié)體的支撐力，kN。

參照已有研究[24]，PL的具體表達(dá)式如式(2)所示:

(2)

其中，D為正楔形錨固結(jié)構(gòu)直徑，mm;d為正常柱面錨固段鉆孔直徑，mm;l1為正常柱面錨固段長(zhǎng)度，mm;l2為楔形錨固段長(zhǎng)度，mm;q1，q2為圍巖體與錨固體的極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN;c為楔形錨固段水泥漿液黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值;γs為錨桿軸向受拉抗力分項(xiàng)系數(shù)。式(2)僅為一種鉆封注一體化注漿錨桿錨固力理論計(jì)算的參考方法。

2 鉆封注一體化注漿錨桿工作效果檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方案及測(cè)試儀器

2.1 實(shí)驗(yàn)方案及主要內(nèi)容

為分析鉆封注一體化注漿錨桿在不同的圍巖條件下的工作特征及效果，在實(shí)驗(yàn)室分別建立松軟煤體和破碎煤體兩種相似模型，以較真實(shí)地模擬鉆封注一體化注漿錨桿不同的現(xiàn)場(chǎng)工作條件。實(shí)驗(yàn)所采用的注漿錨桿(圖3)總長(zhǎng)為2 080 mm，總鉆進(jìn)深度為1 795 mm。在2種相似模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用鉆封注一體化注漿錨桿進(jìn)行鉆進(jìn)、封孔及注漿等操作，以分析注漿錨桿的工作特征和注漿效果，具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme

圖3 實(shí)驗(yàn)用鉆封注一體化注漿錨桿整體示意Fig.3 Schematic diagram of drilling-sealing-injection integrated grouting bolt for experiments

2.2 主要測(cè)試儀器

2.2.1 鉆進(jìn)過(guò)程桿體振動(dòng)特征監(jiān)測(cè)儀

為分析鉆封注一體注漿錨桿，在松軟和破碎煤體鉆進(jìn)過(guò)程中的振動(dòng)特征，采用TC-6850型網(wǎng)絡(luò)測(cè)振儀，對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中的振動(dòng)信息進(jìn)行采集。該儀器最主要特點(diǎn)就是可通過(guò)無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸，避免了使用有線傳輸數(shù)據(jù)造成不便的問(wèn)題，測(cè)振儀如圖4所示。

圖4 TC-6850N網(wǎng)絡(luò)測(cè)振儀Fig.4 TC-6850N network vibration measuring instrument

2.2.2 注漿效果及范圍探測(cè)儀

為檢測(cè)鉆封注一體化注漿錨桿注漿效果，采用低頻超聲波掃描儀(EPCLtd,Hong Kong,China,A1040-MIRA)。該儀器可用于查找混凝土、鋼筋混凝土、天然石材中的異物、空洞、孔洞、分層、填充不密實(shí)和裂縫，自動(dòng)生成2維或3維圖像，并將內(nèi)部情況直觀地展示出來(lái)。實(shí)驗(yàn)中煤體與漿液凝固體有較大區(qū)別，超聲波會(huì)于漿液擴(kuò)散區(qū)域出現(xiàn)較強(qiáng)反射，因此，可用于檢測(cè)漿液擴(kuò)散效果，從而判別漿液擴(kuò)散范圍，低頻超聲波掃描儀及工作原理如圖5所示。

圖5 A1040-MIRA型低頻超聲波探測(cè)儀Fig.5 A1040-MIRA low frequency ultrasonic detector

3 模型構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 相似模擬模型制作

在自主設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置上構(gòu)建相似模擬模型，模型按破碎煤體和松軟煤體2種情況進(jìn)行鋪設(shè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研回采巷道松軟和破碎煤體的賦存情況，通過(guò)在相似模型箱內(nèi)填充粒徑為0.5～3.0 mm的煤屑模擬松軟煤體，填充粒徑為80～100 mm的塊煤模擬破碎煤體，鋪設(shè)完成并壓實(shí)后的相似模型如圖6所示。

圖6 松軟和破碎煤體相似模型Fig.6 Similar model laying of soft and broken coal

3.2 鉆進(jìn)過(guò)程振動(dòng)信息監(jiān)測(cè)

通過(guò)分析鉆封注一體化注漿錨桿，在不同煤體鉆進(jìn)時(shí)的振動(dòng)特征所表現(xiàn)的差異，完成煤體狀態(tài)識(shí)別和判定，為后期注漿參數(shù)的確定提供指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)依據(jù)不同煤體破碎程度，進(jìn)行差異化注漿，改善圍巖注漿加固效果的目的。注漿錨桿鉆進(jìn)采用礦用手持式錨桿鉆機(jī)提供動(dòng)力，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速保持在約300 r/min,風(fēng)壓恒定在0.8 MPa，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)注漿錨桿鉆進(jìn)時(shí)的振動(dòng)信息進(jìn)行采集，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖7所示。

圖7 鉆進(jìn)過(guò)程振動(dòng)信息采集Fig.7 Vibration information collection during drilling

3.3 注漿加固實(shí)驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)鉆封注一體化注漿錨桿設(shè)計(jì)特點(diǎn)及研究?jī)?nèi)容，為實(shí)現(xiàn)對(duì)煤體的注漿加固，鉆進(jìn)過(guò)程完成后，通過(guò)錨桿尾部注漿口對(duì)松軟及破碎煤體進(jìn)行注漿加固。注漿材料選用標(biāo)號(hào)為425號(hào)的普通硅酸鹽水泥，按照水灰質(zhì)量比為1∶2進(jìn)行混合攪拌，注漿初期水灰比略大于該比例，以使?jié){液較稀，能有更好的擴(kuò)散效果，注漿過(guò)程如圖8所示。

圖8 注漿實(shí)驗(yàn)過(guò)程Fig.8 Process of grouting experiment

3.4 超聲波無(wú)損檢測(cè)注漿效果

根據(jù)超聲波探測(cè)儀工作原理，為了檢驗(yàn)注漿效果，檢測(cè)過(guò)程分2次進(jìn)行，注漿前測(cè)試，待注漿結(jié)束24 h后，對(duì)其進(jìn)行第2次探測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置及煤體測(cè)點(diǎn)劃分如圖9所示。待測(cè)煤體頂部劃分為25個(gè)500 mm×500 mm正方形網(wǎng)格，并對(duì)劃分的網(wǎng)格進(jìn)行標(biāo)號(hào)，由于C～E行區(qū)域?yàn)樽{錨桿漿液出口所在位置，因此該區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)探測(cè)區(qū)域。

圖9 超聲波測(cè)試測(cè)點(diǎn)劃分Fig.9 Division of ultrasonic test points

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 鉆進(jìn)過(guò)程中注漿錨桿振動(dòng)特征分析

根據(jù)振動(dòng)機(jī)理，在桿體較長(zhǎng)條件下，注漿錨桿縱向振動(dòng)更為明顯，因此著重分析不同粒徑煤體條件下縱向振動(dòng)特征，為后期根據(jù)注漿錨桿振動(dòng)特征判別煤體完整程度，進(jìn)行差異化注漿提供理論依據(jù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的縱向振動(dòng)加速度曲線如圖10所示。

圖10 A,B組鉆進(jìn)過(guò)程中縱向振動(dòng)加速度曲線Fig.10 Curves of longitudinal vibration acceleration during drilling of group A and B

如圖10(a)所示，錨桿在破碎煤體內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)，A組1號(hào)及2號(hào)鉆孔鉆進(jìn)時(shí)長(zhǎng)相差不大，約50 s，注漿錨桿的縱向振動(dòng)加速度值一般較小且較接近，在-1～1 m/s2波動(dòng)。圖10(b)中，B組1號(hào)及2號(hào)鉆孔鉆進(jìn)時(shí)長(zhǎng)也相差不大，均在10 s左右，時(shí)間遠(yuǎn)小于A組注漿鉆孔。同時(shí)B組1號(hào)及2號(hào)鉆孔注漿錨桿的縱向振動(dòng)加速度值均較大，說(shuō)明B組2孔的縱向振動(dòng)加速度曲線波動(dòng)變化更加明顯。為進(jìn)一步明確2種煤體中注漿錨桿的振動(dòng)特征，將A，B組注漿錨桿縱向振動(dòng)加速均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及峰值點(diǎn)密度匯總于表2。

由表2可知，A組實(shí)驗(yàn)1號(hào)及2號(hào)注漿錨桿縱向振動(dòng)加速度最大值均為5.39 m/s2，均值分別為0.212 m/s2和0.184 m/s2，標(biāo)準(zhǔn)差分別0.393和0.404，峰值點(diǎn)密度分別為0.96和0.91個(gè)/s;B組實(shí)驗(yàn)1號(hào)及2號(hào)注漿錨桿縱向振動(dòng)加速度最大值分別為186.20 m/s2和107.80 m/s2，均值分別為42.716 m/s2和23.962 m/s2，標(biāo)準(zhǔn)差分別35.777和21.388，峰值點(diǎn)密度分別為1.50和1.30個(gè)/s，其中標(biāo)準(zhǔn)差越大，說(shuō)明加速度值相對(duì)于加速度均值的偏離程度越明顯，振動(dòng)情況越劇烈，峰值點(diǎn)密度表示加速度曲線在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生波峰及波谷的數(shù)量，峰值點(diǎn)密度越大，則表明波峰與波谷數(shù)量越多，振動(dòng)程度越劇烈。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，B組注漿錨桿縱向振動(dòng)加速度標(biāo)準(zhǔn)差及峰值點(diǎn)密度遠(yuǎn)大于A組，表明B組注漿鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中注漿錨桿的振動(dòng)劇烈程度遠(yuǎn)高于A組注漿錨桿。

表2 注漿錨桿縱向振動(dòng)加速均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及峰值點(diǎn)密度Table 2 Mean acceleration,standard deviation,and peak point density of longitudinal vibration of grouting bolt

綜合以上分析，注漿錨桿在松軟煤體和破碎煤體注漿鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中，振動(dòng)特征具有較大差別，在松軟煤體中鉆進(jìn)時(shí)縱向振動(dòng)加速度值及振動(dòng)劇烈程度遠(yuǎn)大于破碎煤體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，注漿錨桿在不同煤體內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)振動(dòng)特征存在較大差異。因此，可通過(guò)注漿錨桿鉆進(jìn)時(shí)振動(dòng)特征判別煤巷圍巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)，進(jìn)行針對(duì)性注漿參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)差異化注漿。

4.2 超聲波無(wú)損檢測(cè)注漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 破碎煤體注漿效果低頻超聲探測(cè)實(shí)驗(yàn)

破碎煤體(A組)注漿前后獲取的超聲波探測(cè)圖像如圖11所示。

圖11 D行測(cè)點(diǎn)注漿前后超聲波反射情況Fig.11 Ultrasonic reflection before and after grouting at line D

如圖11所示，對(duì)比注漿前后D行5測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的超聲波反射對(duì)比云圖發(fā)現(xiàn)，注漿前煤體內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)超聲波反射均不明顯，無(wú)明顯強(qiáng)反射區(qū)域，說(shuō)明鋪設(shè)后的模型煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為均勻。注漿24 h后D行5測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)超聲波反射增強(qiáng)區(qū)域，該區(qū)域深度較大，最大達(dá)到了600 mm(如D4,D5測(cè)點(diǎn))，表明測(cè)試煤體內(nèi)部出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)密實(shí)的物體，同時(shí)也表明漿液擴(kuò)散半徑至少達(dá)到了600 mm。

另外，通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)反射超聲波振幅進(jìn)行提取統(tǒng)計(jì)，獲得了注漿前后C～E行測(cè)點(diǎn)超聲波反射平均振幅，如圖12所示。

如圖12所示，注漿前C～E各測(cè)點(diǎn)超聲波振幅相差不大，振幅曲線波動(dòng)范圍較小，基本均在55～70 dB，反射超聲波平均值分別為64.7，63.4，61.1 dB。注漿后C～E行測(cè)點(diǎn)反射超聲波平均值分別為65.1，77.5，68.0 dB，較注漿前有了較大程度提高，振幅增加區(qū)域均表明該位置處于漿液擴(kuò)散區(qū)域，同時(shí)受漿液擴(kuò)散影響各曲線波動(dòng)程度較大，振幅最大值均出現(xiàn)在第5列處，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明注漿錨桿能夠較有效的將漿液注入破碎煤體內(nèi)。

圖12 注漿前后C～E行測(cè)點(diǎn)平均振幅Fig.12 Average amplitude of measuring points in C to E lines

4.2.2 松軟煤體注漿效果低頻超聲探測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)松軟煤體相似模型注漿效果，采用同樣方法，對(duì)松軟煤體相似模型在注漿前后進(jìn)行超聲波探測(cè)，考慮到篇幅，超聲波反射云圖分布規(guī)律與破碎煤體相似，這里不再贅述。通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)反射超聲波振幅進(jìn)行提取統(tǒng)計(jì)，獲得了松軟煤體注漿前后C～E行測(cè)點(diǎn)超聲波反射平均振幅，如圖13所示。

圖13 注漿前后C～E行測(cè)點(diǎn)平均振幅Fig.13 Average amplitude of measuring points in lines C to E before and after grouting

如圖13所示,與破碎煤體探測(cè)結(jié)果相似，注漿前C～E各測(cè)點(diǎn)超聲波振幅平均值相差不大，振幅曲線波動(dòng)程度也較小，基本均在50～70 dB，反射超聲波平均值分別為61.9，64.8，62.5 dB。注漿后C～E各測(cè)點(diǎn)超聲波振幅均較注漿前有所增加，反射超聲波平均值分別為69.70，67.20，75.22 dB。此外，第1,2,5列處測(cè)點(diǎn)平均反射振幅最大，表明該位置處于漿液擴(kuò)散區(qū)域，也說(shuō)明注漿錨桿能夠較有效的將漿液注入松軟煤體內(nèi)。

上述對(duì)2種煤體注漿后超聲波探測(cè)結(jié)果顯示，注漿后2種煤體超聲波振幅均較注漿前均有所增加，說(shuō)明鉆封注一體化注漿錨桿可將漿液有效注入煤體，且在注漿過(guò)程封孔效果較好，未見(jiàn)漿液從孔口流出，該注漿錨桿整體注漿效果達(dá)到預(yù)期。因此，應(yīng)用該注漿錨桿可加快煤層巷道圍巖注漿加固工作效率，有效改善煤巷圍巖條件。

5 鉆封注一體化注漿錨桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)巷道概況

基于理論分析及實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果，在趙家寨礦12213進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行了鉆封注一體化注漿錨桿現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)。12213進(jìn)風(fēng)巷所在的12采區(qū)位于滹沱背斜軸部附近，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，受背斜影響煤層底板起伏較大，頂、底板裂隙發(fā)育，在12213進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中，巷道圍巖時(shí)常出現(xiàn)松軟及破碎段，嚴(yán)重影響巷道支護(hù)質(zhì)量、制約巷道掘進(jìn)速度。12213進(jìn)風(fēng)巷布置于二1煤層中，臨近12211工作面采空區(qū)，其與臨近巷道位置關(guān)系剖面示意如圖14所示，二1煤層為當(dāng)前主采煤層，厚度最大達(dá)到9.1 m，平均厚度6 m。12213進(jìn)風(fēng)巷斷面形狀為梯形，巷高為3 400 mm，頂部尺寸為4 000 mm，底部尺寸為5 400 mm，支護(hù)形式為錨網(wǎng)索+液壓抬棚，錨桿選用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，型號(hào)為φ20 mm×2 400 mm，間排距為800 mm×800 mm，錨索型號(hào)為φ17.8 mm×6 200 mm或φ17.8 mm×8 200 mm，間排距為1 100 mm×1 600 mm。

圖14 臨近巷道位置關(guān)系剖面圖Fig.14 Sectional relationship profile of adjacent roadway

5.2 試驗(yàn)方案及測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)研究目的，在12213進(jìn)風(fēng)巷610 m和735 m附近布置試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)，這2處圍巖煤體條件分別呈現(xiàn)破碎和松軟狀態(tài)，將其分別記為A組和B組。在2試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行鉆封注一體化注漿錨桿鉆進(jìn)振動(dòng)特征分析及錨固性能測(cè)試，每組使用鉆封注一體化注漿錨桿打2個(gè)鉆孔，另外布置2個(gè)正常樹(shù)脂錨桿錨固孔，對(duì)比2種錨固方式性能。各鉆孔處于同一高度，水平間隔3 m。將A組鉆孔編號(hào)記為A1，A2，A3和A4，其中A1和A2為鉆封注一體化注漿錨桿錨固孔，B組鉆孔記為B1，B2，B3和B4，同樣B1和B2為鉆封注一體化注漿錨桿錨固孔，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test scheme

5.3 鉆進(jìn)過(guò)程振動(dòng)特征分析及錨固性能測(cè)試

5.3.1 鉆進(jìn)過(guò)程振動(dòng)特征分析

用符合煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)的巖層信息鉆測(cè)儀(圖15)，其功能和操作與實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的儀器基本一致，此處不再贅述。通過(guò)螺紋將鉆測(cè)儀與注漿錨桿連接在一起，采集鉆進(jìn)A1和A2、B1和B2時(shí)錨桿的振動(dòng)信息，注漿錨桿縱向振動(dòng)加速度曲線如圖16所示。

圖15 巖層信息鉆測(cè)儀Fig.15 Rock formation information drilling and monitoring instrument

如圖16(a),(b)所示，鉆封注一體化注漿錨桿在破碎煤體鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)時(shí)長(zhǎng)較為接近，A1鉆孔鉆進(jìn)時(shí)長(zhǎng)約為38 s，A2鉆孔鉆進(jìn)時(shí)長(zhǎng)約為32 s，同時(shí)其縱向振動(dòng)加速度值也較為相近，在-60.0～60.0 m/s2波動(dòng)。圖16(c),(d)為松軟煤體鉆進(jìn)過(guò)程縱向振動(dòng)加速度曲線，2個(gè)鉆孔鉆進(jìn)時(shí)長(zhǎng)約為20 s和24 s，同時(shí)相較于破碎煤體鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)過(guò)程中注漿錨桿的縱向振動(dòng)加速度值均較大，在-120～160 m/s2，說(shuō)明注漿錨桿B2孔的縱向振動(dòng)加速度曲線波動(dòng)變化更加明顯。為進(jìn)一步明確2種煤體條件下，注漿錨桿的振動(dòng)特征，將注漿錨桿縱向振動(dòng)加速均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及峰值點(diǎn)密度匯總于表4。

圖16 鉆進(jìn)過(guò)程中縱向振動(dòng)加速度曲線Fig.16 Curves of longitudinal vibration acceleration during drilling

表4 縱向振動(dòng)加速均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及峰值點(diǎn)密度Table 4 Mean acceleration,standard deviation,and peak point density of longitudinal vibration

由表4可知，破碎煤體條件下，A1和A2鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程，注漿錨桿縱向振動(dòng)加速度最大值為52.375 m/s2和46.242 m/s2，均值分別為1.036 m/s2和1.467 m/s2。相比之下，松軟煤體條件鉆進(jìn)時(shí)，注漿錨桿縱向振動(dòng)加速度最大值為154.66 m/s2和118.83 m/s2，均值分別為11.798 m/s2和8.182 m/s2，其值均遠(yuǎn)大于破碎煤體條件時(shí)。此外，破碎和松軟煤體2種條件下，注漿錨桿振動(dòng)加速度標(biāo)準(zhǔn)差分別為14.092,17.852和66.423,49.239，峰值點(diǎn)密度分別為0.84,0.90和1.32,1.27，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，松軟煤體條件下注漿錨桿縱向振動(dòng)加速度標(biāo)準(zhǔn)差及峰值點(diǎn)密度遠(yuǎn)大于破碎煤體條件時(shí)，說(shuō)明該條件下注漿錨桿振動(dòng)劇烈程度更高。

5.3.2 注漿錨桿錨固性能測(cè)試

鉆封注一體化注漿錨桿鉆進(jìn)完成后，對(duì)煤體進(jìn)行注漿加固，所注水泥漿液中添加有早強(qiáng)劑、水玻璃等添加劑，待注漿結(jié)束48 h后，對(duì)其進(jìn)行錨固力拉拔測(cè)試，同時(shí)對(duì)各條件下預(yù)先錨固的樹(shù)脂錨桿進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，其中樹(shù)脂錨桿型號(hào)為φ20 mm×2 400 mm，錨固時(shí)采用了1卷直徑23 mm，長(zhǎng)度60 mm的快速樹(shù)脂錨固劑，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程如圖17所示，部分現(xiàn)場(chǎng)拉拔測(cè)試結(jié)果如圖18所示。

圖17 現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)Fig.17 Field pull test

圖18 現(xiàn)場(chǎng)錨桿拉拔試驗(yàn)結(jié)果Fig.18 Test results of field bolt drawing

如圖18所示，2種條件下，鉆封注一體化注漿錨桿拉拔力分別為68.5,64.2,66.4和69.5 kN，通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)注漿錨桿拉拔力均高于對(duì)應(yīng)條件下樹(shù)脂錨桿拉拔力。此外4根注漿錨桿平均拉拔力為67.1 kN，而樹(shù)脂錨桿平均拉拔力為49.2 kN，相較于樹(shù)脂錨桿平均拉拔力，注漿錨桿平均拉拔力提高約36.4%，說(shuō)明該注漿錨桿在破碎和松軟圍巖條件下具有更好的錨固性能，其主要原因是得益于通過(guò)注漿加固圍巖，提高了圍巖的完整性及可錨性。

6 結(jié) 論

(1)研究結(jié)果表明，鉆封注一體化注漿錨桿能夠有效實(shí)現(xiàn)松軟及破碎煤體條件下，鉆進(jìn)、封孔、注漿及錨固等工序，簡(jiǎn)化注漿加固煤體施工流程，加快施工速度，改善松軟破碎煤體封孔、注漿效果。

(2)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)鉆進(jìn)過(guò)程注漿錨桿振動(dòng)信息監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，鉆封注一體化注漿錨桿在不同煤體條件下鉆進(jìn)時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)特征存有明顯差異，依此實(shí)現(xiàn)煤體條件的判別，可為巷道圍巖注漿參數(shù)設(shè)計(jì)及差異化注漿提供理論依據(jù)。

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤體進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)，可發(fā)現(xiàn)鉆封注一體化注漿錨桿能把漿液順利注入松軟及破碎煤體，且漿液具有較大擴(kuò)散范圍，說(shuō)明注漿錨桿可對(duì)該類圍巖條件的巷道實(shí)現(xiàn)良好的注漿加固作用。

(4)鉆封注一體化注漿錨桿現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)結(jié)果顯示，在松軟及破碎煤體條件下，相較于普通樹(shù)脂錨桿，該注漿錨桿具有更大的錨固力，錨固力提升了約36.4%。說(shuō)明注漿錨桿能夠?qū)γ后w起到較好的注漿加固及錨固作用。