文/趙 浩

隨著礦井開采向深部延伸，礦井開采強(qiáng)度不斷增加，煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，復(fù)雜困難條件下的深部高地應(yīng)力、強(qiáng)烈采動影響、松軟破碎圍巖巷道及特大斷面巷道和硐室等所占比例越來越大，巷道維護(hù)困難已成為制約煤礦安全高效開采的瓶頸。因此，巷道圍巖控制成為煤礦開采中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。而保持巷道暢通與圍巖穩(wěn)定是巷道圍巖控制的根本目的與任務(wù)。針對礦井高應(yīng)力、圍巖弱面結(jié)構(gòu)、高泥質(zhì)圍巖特點，山東能源魯西礦業(yè)集團(tuán)單縣能源公司采用“破碎圍巖注漿加固+巷道分步掘進(jìn)”的圍巖控制技術(shù)，有效解決了高應(yīng)力、大傾角軟巖巷道圍巖控制難題。

一、概況

單縣能源公司3402軌道順槽埋深-920～-960m，巷道斷面形狀為不規(guī)則矩形斷面，巷道荒斷面面積19.4m2，原支護(hù)設(shè)計形式為“錨+網(wǎng)+索”支護(hù)。工作面直接頂、底均為泥質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖，層面光滑，遇震動易冒落。由于巷道埋深大、圍巖整體性差、原巖應(yīng)力較高等原因，在原支護(hù)形式和施工工藝下，巷道變形嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了礦井生產(chǎn)接續(xù)及安全生產(chǎn)。針對此問題，決定在3402軌道順槽采用“頂板注漿加固+分步掘進(jìn)”技術(shù)對圍巖進(jìn)行控制。

二、注漿加固技術(shù)

1.注漿加固技術(shù)作用機(jī)理

（1）壓密作用。在漿液被壓入的過程中，將對地層產(chǎn)生擠壓，從而使那些無法進(jìn)入漿液的細(xì)小裂隙或孔隙受到壓縮、擠密，使地層密實性和力學(xué)性能都得到提高。

（2）充填作用。漿液凝結(jié)的結(jié)石將地層空隙充填起來，可以阻止水通過，提高地層密實性。

（3）黏合作用。注漿漿液的膠凝性質(zhì)可以使已經(jīng)脫開的巖塊裂縫充填并黏合在一起，使其聯(lián)合承載力得到提高。

（4）固化作用。注漿所使用的注漿材料可與地層中的粘土等松軟物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其凝固成堅固的“類巖體”。

通過注漿加固，達(dá)到提高圍巖整體性，改善圍巖力學(xué)性能，增強(qiáng)圍巖承載能力的作用。

2.注漿材料選取及注漿設(shè)備

（1）3402軌道順槽頂板注漿選用直徑22mm，長度2800mm的中空注漿錨桿，采用兩塊MSK2350型錨固劑進(jìn)行錨固，并選用楔形塞進(jìn)行注漿孔封堵。

（2）合理選用注漿材料是注漿成效的關(guān)鍵，也決定了注漿加固技術(shù)的經(jīng)濟(jì)合理性。注漿材料的選擇要充分考慮以下因素：

①漿液粘度低、流動性好、可注性好，能較好地注入裂隙中。

②穩(wěn)定性好，常溫下不改變性質(zhì)且無毒，不易燃燒。

③漿液凝固時間可以調(diào)控，當(dāng)凝固時能夠迅速完成。

④漿液固結(jié)時無收縮現(xiàn)象，固化后與巖石具有粘結(jié)性能。

⑤對注漿設(shè)備、橡膠制品的管路無腐蝕性，且容易清洗。

⑥注漿工藝簡單，施工操作方便，安全可靠。

綜合考慮3402軌道全順槽地質(zhì)情況及現(xiàn)場實際，注漿材料選用單液水泥漿，注漿水泥采用425#標(biāo)號普通硅酸鹽水泥。

（3）注漿設(shè)備選用XZS80/100單液漿泵。由注漿泵將定量配比槽中漿液通過主干管、軟管、注漿錨桿連接器注至注漿錨桿中。

3.數(shù)值模擬確定注漿參數(shù)

注漿擴(kuò)散半徑?jīng)Q定了注漿工程質(zhì)量和注漿施工進(jìn)度。根據(jù)注漿加固地點實際地質(zhì)情況與巖性分析，采用數(shù)值模擬分析的方法，選取不同水灰比（水灰比取1∶1、0.8∶1、0.7∶1、0.6∶1、0.5∶1五種比例）和不同壓力下，注漿擴(kuò)散半徑的情況，并通過綜合分析最終確定了水灰比濃度及注漿后終孔壓力。

通過分析可知，注漿擴(kuò)散半徑隨著注漿壓力與水灰比濃度的增大而增大；注漿擴(kuò)散半徑在二者共同作用時，注漿壓力影響相對較大。但壓力達(dá)到一定值時，如注漿壓力繼續(xù)升高，注漿擴(kuò)散半徑受其影響呈下降趨勢（注漿壓力1～3MPa時，注漿擴(kuò)散半徑隨著壓力增大而增大；注漿壓力超過3MPa時，注漿擴(kuò)散半徑受壓力影響呈下降趨勢）；水灰比配比（五種配比）在固定注漿壓力值時（注漿擴(kuò)散半徑在壓力作用下增長幅度達(dá)到峰值時的注漿壓力為最優(yōu)注漿壓力，根據(jù)分析取3MPa）均能夠向圍巖破壞嚴(yán)重段，裂隙發(fā)育較充分處擴(kuò)散。根據(jù)現(xiàn)場試驗時注漿量及擴(kuò)散半徑等參數(shù)，當(dāng)水灰比為0.7∶1至0.8∶1時充填裂隙最好。

通過綜合分析與現(xiàn)場試驗確定：注漿水灰比取0.75∶1，注漿壓力取3MPa，注漿錨桿布置于原支護(hù)兩排錨桿之間，注漿錨桿間距2m，排距1.6m，圍巖較為破碎段注漿前先對頂板進(jìn)行噴漿，作為起壓墊，避免注漿過程中出現(xiàn)跑漿情況。

三、巷道分步掘進(jìn)技術(shù)

由于深井軟巖巷道兩幫煤體松軟破碎，如果巷道斷面一次成型，在錨桿支護(hù)的過程中，巷道高幫會頻繁發(fā)生片幫現(xiàn)象。為能夠有效控制巷道高幫的片幫，可以采用分步開挖巷道斷面的方法來控制巷道片幫。

對高幫進(jìn)行分步開挖研究，開挖高度以中高來表示，并初步確定了四個分步開挖方案。

方案一：巷道高幫一次挖完，不分步開挖。

方案二：巷道中高開挖0.7m，臺階寬度為2.2m。

方案三：巷道中高開挖1.5m，臺階寬度為2.2m。

方案四：巷道中高開挖2.1m，臺階寬度為2.2m。

通過現(xiàn)場試驗，方案四能夠在確保巷道掘進(jìn)單進(jìn)及效率的情況下，分步開挖巷道高幫時，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)得到改善，高幫變形量明顯減小，片幫情況明顯減弱，尤其是高幫與頂板較近的位置，其片幫得到了很大程度的改善。

四、礦壓分析

為了分析注漿加固和分步掘進(jìn)后，巷道圍巖變形情況，在采用注漿加固和分步掘進(jìn)段設(shè)置了圍巖觀測站，每20m設(shè)置一個測站，在每個測站頂、底板和兩幫中部各布置一個測點，每7天觀測一次頂、底板和兩幫相對移近量及相近移近速度。為盡可能真實地反映開挖條件下巷道圍巖的變形特征，各監(jiān)測斷面均靠近施工迎頭，隨著巷道的開挖掘進(jìn)，對巷道圍巖變形情況進(jìn)行實時監(jiān)測。

通過對巷道圍巖變形情況觀測及分析可知：巷道采用注漿加固和分布掘進(jìn)工藝后，巷道頂板、底板、幫部圍巖變形曲線在20天左右逐漸趨于平穩(wěn)，巷道變形量較采用該種工藝前明顯減小，且變形量在合理區(qū)間范圍內(nèi)。由此可知，采用注漿加固和分布掘進(jìn)工藝有效改善了圍巖狀態(tài)，提高了巷道承載強(qiáng)度。巷道表面位移量變化曲線如圖1所示。

圖1 巷道表面位移量變化趨勢分析圖

五、結(jié)論

深井不穩(wěn)定煤層由于圍巖穩(wěn)定性控制難度大，頂板巖層穩(wěn)定性差，抗壓強(qiáng)度弱，且巷道圍巖破壞具有時間效應(yīng)明顯、境感知敏感、受應(yīng)力擾動影響大等特點，是煤礦開采向深部延伸時急需解決的支護(hù)難題。注漿加固技術(shù)有效提高了圍巖承載強(qiáng)度，改善了圍巖力學(xué)性能，提高了圍巖的整體性，形成了承載結(jié)構(gòu)，有效控制了巷道的變形。分步開挖巷道高幫時，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)得到改善，高幫變形減小，片幫減弱，尤其是高幫與頂板較近的位置，其片幫得到了很大程度的改善。“頂板注漿加固+分步掘進(jìn)”技術(shù)對高地應(yīng)力、弱面結(jié)構(gòu)、破碎圍巖支護(hù)具有一定的借鑒意義。