王東陽

(潞安化工集團(tuán) 潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 忻州 036700)

資源賦存條件的多樣性和過高的井工開采比重是導(dǎo)致我國(guó)煤礦災(zāi)害多發(fā)的先天因素。隨著煤礦開采深度和強(qiáng)度的增加,除了面臨的五大自然災(zāi)害之外,又出現(xiàn)了沖擊地壓、深井軟巖、高溫?zé)岷?、高承壓、瓦斯突出等其他?zāi)害耦合疊加的問題,災(zāi)害逐步升級(jí),防治難度進(jìn)一步加大[1-3]。千米煤炭深井面臨的高技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),使很多國(guó)家望而生畏,大都放棄了相關(guān)研究和開采,而已探明的煤炭資源在千米以下占到五成比重的特殊國(guó)情,使得我國(guó)不得不獨(dú)自探索相關(guān)領(lǐng)域[4-6]。開采深度的增加,直接引發(fā)了地質(zhì)條件更加復(fù)雜、地應(yīng)力增大、巷道變形難以控制等問題,對(duì)于煤礦生產(chǎn)安全和效益都產(chǎn)生了巨大的負(fù)面影響。

在巷道整修方面,采取注漿加固的方案已經(jīng)基本達(dá)成共識(shí),但是原有注漿參數(shù)多憑借經(jīng)驗(yàn)獲取,缺乏理論依據(jù),因此亟需一種適合本礦深部圍巖注漿的參數(shù)計(jì)算體系來規(guī)范注漿參數(shù)設(shè)計(jì)，以保證注漿功效,切實(shí)有效地降低巷道整修次數(shù)和頻率[7-9]。因此,本文以潞寧礦軌道巷注漿加固為背景,通過開展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究,分析注漿加固原理,提出錨網(wǎng)支護(hù)+注漿加固的組合支護(hù)技術(shù)。

1 工程概況

潞寧煤業(yè)公司礦井現(xiàn)有2個(gè)采區(qū),分別為22采區(qū)和31采區(qū)。22采區(qū)采用兩翼布置,煤層埋深超過600 m,采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法、綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝,采用強(qiáng)制放頂全部垮落法管理頂板。綜采裝備采用MG500/1140-WD型采煤機(jī)、ZZ9000/2300/4800型液壓支架、SGZ960/800型刮板輸送機(jī)等成套綜采設(shè)備,綜合機(jī)械化程度達(dá)100%。掘進(jìn)工作面采用EBZ-160、EBZ-200型懸臂式掘進(jìn)機(jī),配套SJ-80/150/2×75型膠帶輸送機(jī)。巷道采用穿層掘進(jìn),屬于水平巷道。大煤頂板往下6 m為巷道頂板,其主要巖性為粉砂巖、中粒砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。

潞寧礦軌道巷采用半圓拱錨網(wǎng)索噴的支護(hù)形式。巷道凈寬×凈高為4.6 m×3.5 m,半圓拱斷面,腰線至底板1.1 m,至頂板2.4 m,墻高1.2 m,拱高2.3 m,嚴(yán)格按中、腰線施工。巷道噴C20砼,初噴厚度不小于50 mm,復(fù)噴蓋住鋼筋網(wǎng)及錨桿托盤即可。巷道基礎(chǔ)深度100 mm。巷道頂?shù)装搴蛢蓭统霈F(xiàn)整體性收斂,底臌量大于頂板下沉量,兩幫變形大體對(duì)稱。頂板巖層離層現(xiàn)象普遍,下沉顯著,頂部肩部砼體脫落,個(gè)別噴漿漿皮直徑達(dá)300～400 mm,造成鋼筋網(wǎng)外露銹蝕,個(gè)別錨索、錨桿出現(xiàn)拉斷及鎖具脫落失效現(xiàn)象,離層掉渣威脅著經(jīng)過人員的安全。底臌一般為0.3～0.8 m,平均0.6 m,局部甚至達(dá)到1.1 m,巷中高兩幫低,呈三角形底板,導(dǎo)致巷道落道運(yùn)輸事故層出不窮,既不安全又直接影響各單位原料的運(yùn)輸和生產(chǎn)組織。

2 注漿加固原理

注漿技術(shù)很好地適應(yīng)了當(dāng)代軟巖巷道圍巖控制理論中對(duì)施工技術(shù)與施工成本上的需求,可以顯著控制圍巖變形,大幅改善支護(hù)效果。其基本原理是將流動(dòng)的漿液壓入到破碎的圍巖中,凝結(jié)成石,產(chǎn)生強(qiáng)度大、穩(wěn)定性優(yōu)異的密實(shí)結(jié)構(gòu)體,與傳統(tǒng)的錨網(wǎng)(索)支護(hù)膠結(jié)成一個(gè)有機(jī)整體,共同保持圍巖穩(wěn)定。通過對(duì)巖體物理力學(xué)性質(zhì)的改善,把松散、強(qiáng)度低的巖體改造成強(qiáng)度大、穩(wěn)定性優(yōu)異且有足夠承載力的結(jié)構(gòu)體。注漿技術(shù)在實(shí)際工程中主要起到以下作用:

1)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)骨架。漿液進(jìn)入到破碎巖體的裂隙經(jīng)反應(yīng)凝結(jié)后,將以固體的形式填充在管縫中,會(huì)形成一種新的交錯(cuò)縱橫的網(wǎng)架骨骼體系。當(dāng)載荷大于圍巖承受力而造成圍巖變形劇烈發(fā)展時(shí),固結(jié)體的網(wǎng)架骨骼便以其卓越的結(jié)合能力和韌性起到支撐作用,調(diào)動(dòng)圍巖體的剩余強(qiáng)度,抑制破壞的發(fā)育,從而有利于巷道維護(hù)。

2)提高巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。注漿具有壓實(shí)作用,可以提高巖體各項(xiàng)力學(xué)參數(shù),改善承載強(qiáng)度。注漿后,破碎面實(shí)現(xiàn)良好固結(jié),弱面的靜摩擦與滑動(dòng)摩擦阻力增加,凝固區(qū)內(nèi)纖維孔隙的伸張受到限制,從而達(dá)到改善弱面抗變形能力,提高圍巖整體抗變形剛度的目的,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)作用。

3)注漿充填壓密。注漿材料可以充填密實(shí)度較大的裂縫空隙,削減巖面不平造成的應(yīng)力集中,起到緊密封閉的效果。同時(shí),當(dāng)裂隙內(nèi)充滿漿液后,圍巖中位于裂隙面附近的單元應(yīng)力會(huì)由初始的雙向應(yīng)力狀態(tài),調(diào)整為三向受力狀態(tài)。

4)共同承載。巷道圍巖的破碎松散巖體經(jīng)加固后,松散巖體得以重新膠結(jié),更好地發(fā)揮巖塊間的聯(lián)鎖嚙合作用,內(nèi)部滑移受限,圍巖加固圈厚度增加,塑造出一個(gè)新的承載結(jié)構(gòu)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中,巷道圍巖體整體性和自穩(wěn)能力加強(qiáng)。由于注漿體與錨桿(索)間的間隙空隙被填充,二者實(shí)現(xiàn)了全面接觸,錨桿(索)獲得了穩(wěn)定的著力基礎(chǔ),錨固長(zhǎng)度也有所增長(zhǎng),保證了受力傳遞的連續(xù)性與可靠度,使作用在錨桿(索)上的載荷減少,圍巖應(yīng)力分布得以改善,巖體可以始終保持有一定的支護(hù)反力,抑制圍巖產(chǎn)生大幅變形,使巷道的移近量顯著降低,實(shí)現(xiàn)圍巖的相對(duì)穩(wěn)定。

5)封閉水源。水的介入會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖強(qiáng)度迅速降低,特別是遇水膨脹的泥巖。巖石的性質(zhì)會(huì)因水的溶蝕軟化發(fā)生逆轉(zhuǎn),顯著表現(xiàn)在強(qiáng)度與變形特征上。注漿固化可及時(shí)封閉管縫,使圍巖斷絕過水渠道,降低水對(duì)圍巖的影響,延緩?fù)七t流變的發(fā)生。注漿可中斷空氣、水與內(nèi)部巖體間的聯(lián)系,降低風(fēng)化和水害,阻止錨桿(索)發(fā)生銹蝕,對(duì)維系圍巖力學(xué)指標(biāo)與支護(hù)體系恒定十分關(guān)鍵。

3 注漿參數(shù)與注漿工藝

3.1 材料的選定

注漿材料選用標(biāo)號(hào)42.5的普通硅酸鹽水泥,選用壁厚3 mm,直徑12.7 mm的注漿管,注漿管每根長(zhǎng)1 000 mm,使用專用連接環(huán)進(jìn)行連接,制備與設(shè)計(jì)孔深長(zhǎng)度相匹配的注漿管,其中最里側(cè)一根注漿管管壁開花眼。

3.2 注漿加固工藝

注漿施工布置圖如圖1所示。注漿分為淺孔注漿和深孔注漿2種。

1)淺孔注漿。首先按照由下向上、隔排隔孔的原則,按排距2 m打設(shè)孔徑28 mm，深度3 500 mm的單數(shù)注漿孔(注漿孔深度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板離層位置或空硐位置及時(shí)調(diào)整),然后下入直徑×長(zhǎng)度×壁厚為Φ12.7 mm×3 000 mm×3.0 mm的注漿管。在注漿管朝外一側(cè)盤幾層麻線,使用銅錘敲打插管入孔,完成孔口封堵。其后進(jìn)行注漿。

2)深孔注漿。單數(shù)注漿孔注漿完畢后,再注雙數(shù)注漿孔。雙數(shù)注漿孔按間距1.5 m,排距2.0 m,孔徑28 mm，深度5 500 mm的規(guī)格打孔,然后將直徑×長(zhǎng)度×壁厚為Φ12.7 mm×5 000 mm×3.0 mm的注漿管插入孔中。在注漿管朝外一側(cè)盤幾層麻線,使用銅錘敲打插管入孔,完成孔口封堵。其后進(jìn)行注漿。每排打設(shè)注漿孔5個(gè),見圖1。

圖1 注漿施工布置圖Fig.1 Layout of grouting construction

本次注漿施工所用主要設(shè)備為3NBB2.6-9.0/10-2.5-11型煤礦用泥漿泵(BW160/10型),如圖2所示。該設(shè)備缸徑70 mm,行程70 mm,工作壓強(qiáng)有4個(gè)擋位,最小值為2.5 MPa,最大值為10.0 MPa。

圖2 煤礦用泥漿泵(BW160/10型)Fig.2 Mud pump for mine (BW160/10)

3.3 注漿加固參數(shù)

1)注漿漿液的水灰質(zhì)量比見表1。施工過程中,先注入質(zhì)量比1∶1的稀漿,然后注入水灰質(zhì)量比為(0.7～0.8)∶1的漿液,漿液的平均水灰質(zhì)量比為0.8∶1。

表1 注漿漿液配制表Table 1 Grout preparation table

2)注漿壓力。注漿壓力為漿液在破碎圍巖體中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)提供能量與動(dòng)力,注漿壓力的大小直接影響注漿效果與質(zhì)量。同時(shí),注漿方式、漿材性能和圍巖特性都會(huì)影響注漿效果。注漿壓力太大,容易出現(xiàn)噴漿層劈裂破壞,漿液沖出,發(fā)生跑漏漿,也易導(dǎo)致本身就脆弱的圍巖體表層發(fā)生變形破壞,甚至出現(xiàn)片幫、冒頂事故;壓力不足,漿液擴(kuò)散能量不足,無法克服運(yùn)動(dòng)阻力,充分滲透到巖體破碎處,無法滿足注漿要求。軌道地區(qū)巷道長(zhǎng)期反復(fù)整修,圍巖體裂隙發(fā)育較充分,可適當(dāng)減小注漿壓力,在淋水較大或圍巖應(yīng)力較為集中的部位可增大壓力。結(jié)合現(xiàn)有理論、經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,綜合多種因素后確定,一般情況下注漿孔施工中壓力設(shè)定為3～4 MPa。注漿前,首先對(duì)注漿管進(jìn)行注水沖孔,沖孔時(shí)間不少于3 min,采用間歇注漿方式,間隔時(shí)間為30 s左右。初始注漿壓力為0.8～1.0 MPa,當(dāng)壓力達(dá)到3～4 MPa時(shí),可關(guān)閉閥門,結(jié)束注漿并及時(shí)封孔防止?jié){液泄露。每班要留有注漿記錄。

3)當(dāng)圍巖存在較多裂隙交叉或有高度松散區(qū)時(shí),為避免漿液滲透過遠(yuǎn)或漿液流失,應(yīng)適當(dāng)限制注漿時(shí)間;在裂隙發(fā)育不充分處,漿液流動(dòng)能力弱,充填過程長(zhǎng),則應(yīng)果斷采取增大注漿壓力、延長(zhǎng)注漿時(shí)間等措施。日常單孔注漿值應(yīng)設(shè)置在3 min,注漿大小應(yīng)綜合施工現(xiàn)場(chǎng)條件靈活調(diào)整。

4)漿液擴(kuò)散半徑。擴(kuò)散半徑取決于巷道圍巖裂隙發(fā)育程度,由于巷道圍巖在高應(yīng)力長(zhǎng)期作用下比較破碎,裂隙較為發(fā)育,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取漿液擴(kuò)散半徑為1.5 m。

4 注漿效果評(píng)價(jià)

4.1 注漿修復(fù)后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

分析巷道采用“錨網(wǎng)噴+注漿加固”的修復(fù)措施后圍巖的變形規(guī)律,將2個(gè)月的表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,通過分析發(fā)現(xiàn):

1)巷道頂?shù)装逡平靠刂圃?0 cm以下,頂?shù)装遄冃渭s占巷高的6%,兩幫變形量控制在35 cm以下,巷道兩幫變形約占巷寬的7%,兩幫較頂?shù)装遄冃胃?符合深部圍巖的變化特征。

2)巷道圍巖位移量在前期變化較快，后期逐漸減緩。前15 d頂板移近速度為8 mm/d,兩幫變形速度為15 mm/d,注漿加固30 d后變形速度趨于穩(wěn)定,最終約穩(wěn)定在0.1 mm/d。該結(jié)果說明注漿支護(hù)方案合理,有利于巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定。

(a)頂?shù)装逡平?/p>

(b) 兩幫移近量圖3 巷道圍巖變形曲線Fig.3 Deformation curves of roadway surrounding rock

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

1)為充分掌握漿液在孔內(nèi)的回流情況,最初注漿時(shí),首先選擇下幫頂部孔,經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),漿液向下幫頂部的充填量較小,基本在注漿3 min后就向上幫頂部蔓延。由于巷道頂部存在層間隙導(dǎo)致第一個(gè)孔跑漿很嚴(yán)重,因此在不停機(jī)的情況下,采取最小配比的注漿料，按“低壓力，大流量”調(diào)整注漿泵的泵送速度，間隙停泵且停泵時(shí)間不大于25 s的措施,現(xiàn)場(chǎng)情況得以改善。

2)由于巷道頂板離層和注漿孔均是提前打設(shè)的,在注漿過程中發(fā)現(xiàn),位于巷中、上幫頂部的注漿孔跑漿嚴(yán)重,依此可判定巷道中上部頂板離層嚴(yán)重,且位于此位置的注漿孔多存在空隙聯(lián)系。為減少跑漿量,各孔均采取了“低壓力，大流量”間歇停泵的措施,跑漿情況得以改善。

3)注漿初始階段,將自制注漿管6 mm盤條封堵環(huán)置于管口以上500 mm處,施工過程中發(fā)現(xiàn),多數(shù)注漿管未完全深入注漿孔,外露長(zhǎng)度較長(zhǎng),達(dá)300～400 mm,這主要是因?yàn)樽{管封堵環(huán)焊接位置不合理及注漿孔孔徑小引起的。因此重新制作注漿管,將6 mm盤條封堵環(huán)移至距注漿管外露段100～200 mm位置處,減少棉絲纏繞量。經(jīng)試驗(yàn),注漿管安裝質(zhì)量得以改善,外露量為100～150 mm。

4.3 存在的問題及改進(jìn)措施

1)由于注漿泵本身的缺陷,如采用小比例漿液(0.6∶1),即凝結(jié)時(shí)間小于15 s時(shí),2種注漿料融合口處的壓力表連接短頭測(cè)壓孔易堵塞,且不易清理導(dǎo)通。

2)由于堵塞后的測(cè)壓孔敏感度低,致使壓力表顯示的數(shù)值不能完全體現(xiàn)甚至完全不能顯現(xiàn)注漿壓力,只能通過注漿泵本身的泵送壓力獲得表觀測(cè)數(shù)值,但泵送壓力表在一定范圍內(nèi)只能體現(xiàn)瞬間數(shù)值,致使注漿孔的最終閉孔壓力與實(shí)際值存在較大差距。后期再注漿時(shí),需對(duì)注漿泵的壓力觀測(cè)部件進(jìn)行改造,一是在黃色漿液出漿孔增加壓力表,觀測(cè)超細(xì)水泥主材黃色漿液的出漿壓力;二是增長(zhǎng)混合漿液軟管的長(zhǎng)度,以保證漿液充分融合。

3)不再提前打設(shè)注漿孔,采取打一注一的方法,減少跑漿的可能性。

4)根據(jù)注漿孔打設(shè)情況調(diào)節(jié)注漿料配比,如頂板離層較多,則采用小比例注漿料,慢速度間隙注漿,保證漿液在短時(shí)間內(nèi)融合后快速凝結(jié),減少跑漿量;反之,則采用大比例注漿料,快速注漿,保證漿液能夠充分?jǐn)D進(jìn)頂板裂隙。

5)考慮到巷道所處位置及頂板的特殊性,不論是整修還是掘進(jìn),均采用滯后前頭(整修茬)注漿,但滯后距離需現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定。主要是因?yàn)榇说貐^(qū)巷道具有較為復(fù)雜的地應(yīng)力,在施工后的一段時(shí)間內(nèi)頂板很有可能發(fā)生離層,一旦發(fā)生離層,則單孔注漿量將會(huì)增加并且會(huì)大大降低注漿效果。

5 結(jié)論

通過潞寧礦的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及注漿加固施工后的巷道圍巖觀測(cè)情況,分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,采用“錨網(wǎng)噴+注漿加固”技術(shù)后,圍巖變形量大幅減小,巷道頂?shù)装逡平靠刂圃?0 cm以下,兩幫變形量控制在35 cm以下,巷道頂?shù)装迨諗柯氏拗圃?%以下。施工一個(gè)月后變形基本穩(wěn)定,效果明顯。

1)錨網(wǎng)支護(hù)+注漿加固的組合支護(hù)技術(shù),對(duì)加固松軟、破碎、大變形圍巖巷道有著較好的適用性?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果同樣說明該技術(shù)是治理類似松軟、破碎、大變形圍巖巷道的有效途徑。

2)注漿工藝的關(guān)鍵參數(shù)(水灰比、壓力、時(shí)長(zhǎng)、擴(kuò)散范圍)的取值是相對(duì)靈活的,而非一成不變的,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇最佳參數(shù)。

3)深部破碎圍巖注漿工藝易行可靠、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著、施工程序少、步驟簡(jiǎn)單、易于工人掌握和推廣。