薛小龍

(山西焦煤集團(tuán)霍州煤電集團(tuán)，山西 霍州 031400)

1 工程概況

晉北煤業(yè)5上-409 回采工作面主采5上煤層，工作面東部、南部與井田邊界保安煤柱相鄰；西部與5上-408 回采工作面相鄰，北部與四采區(qū)左翼皮帶巷和軌道巷相接。5上煤層位于石炭系太原組下端頂部，為兩頭高中間低的褶曲向斜構(gòu)造，煤層走向?yàn)镹99° S，傾向?yàn)閃S，煤層傾角為1°～18°。煤層厚度2.5～9.5m，均厚4.8 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部含1 層夾矸，夾矸厚度0.3 m，煤層賦存較穩(wěn)定。煤層頂?shù)装寰唧w巖性情況見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

目前正在掘進(jìn)5-4091 巷，主要用于工作面的進(jìn)風(fēng)及運(yùn)煤，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)斷面為梯形，斷面上寬3.2 m、下寬4.8 m、高3.5 m，斷面尺寸14 m2，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度460 m。

根據(jù)三維地震勘探資料，5-4091 巷預(yù)計(jì)掘進(jìn)至38.6 m 處揭露正斷層F151，斷層落差為2.5 m，斷層傾角為∠40°，傾向?yàn)镾E 方向，預(yù)計(jì)影響巷道長(zhǎng)度55 m。由于斷層帶應(yīng)力復(fù)雜且影響長(zhǎng)度較長(zhǎng)，巷道掘進(jìn)至斷層帶時(shí)，極有可能出現(xiàn)圍巖變形嚴(yán)重，甚至冒頂?shù)默F(xiàn)象。為保證巷道安全高效掘進(jìn)，需對(duì)巷道過(guò)斷層帶的圍巖加固展開(kāi)研究[1-4]。

2 漿液擴(kuò)散規(guī)律分析

2.1 注漿加固機(jī)理

在巷道圍巖表面布置較密集的注漿孔及注漿管，先采用低壓淺孔注漿的方式對(duì)淺部圍巖進(jìn)行封閉、加固，提高淺部破碎圍巖的完整性，并形成較密實(shí)的止?jié){殼，然后采用深孔高壓注漿的方式加固深部圍巖。深孔注漿時(shí)，淺部注漿形成的止?jié){殼可以有效防止?jié){液流出，且漿液帶有較高的壓力，可以有效充填并膠結(jié)圍巖內(nèi)的節(jié)理裂隙，大大提高圍巖的承載性能，從而保證巷道的穩(wěn)定性。為確定合理的注漿加固參數(shù)，需分析漿液在巷道圍巖中的擴(kuò)散規(guī)律。

2.2 建立模型

巷道注漿加固時(shí)，漿液的擴(kuò)散受漿液水灰比及圍巖裂隙等因素的影響，采用Comsol 數(shù)值模擬軟件分析不同因素對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響。

根據(jù)5-4091 巷的實(shí)際工程地質(zhì)條件，建立二維數(shù)值模擬模型，模型長(zhǎng)50 m，寬50 m，巷道布置在模型中央，并在巷道頂板中線布置一個(gè)注漿鉆孔。根據(jù)煤層賦存深度，在模型上施加一定的均布載荷以模擬覆巖壓力，模型兩邊及底部施加位移邊界約束條件。模擬時(shí)假設(shè)巷道表面及模型四周為不可滲透的理想邊界，漿液充滿整個(gè)鉆孔，并向鉆孔周圍的巖體內(nèi)擴(kuò)散，漿液在鉆孔各位置的初始滲透壓力相同，圍巖體的容重取平均值為25 kN/m3。

2.3 漿液水灰比對(duì)其擴(kuò)散規(guī)律的影響

將注漿壓力設(shè)置為3 MPa，圍巖裂隙張開(kāi)度設(shè)置為1.5 m，漿液水灰比分別設(shè)置為0.8:1、1:1、1.5:1 及2:1，模擬分析不同水灰比下漿液隨時(shí)間的擴(kuò)散情況，模擬結(jié)果如圖1。由圖1 可知，不同水灰比下，漿液的擴(kuò)散距離隨著注漿時(shí)間的增加而增大。注漿時(shí)間達(dá)到100 s 后，水灰比為0.8:1 的漿液擴(kuò)散距離為7.9 cm，水灰比為1:1 的漿液擴(kuò)散距離為14.2 cm，水灰比為1.5:1 的漿液擴(kuò)散距離為34.2 cm，其擴(kuò)散距離分別為0.8:1 漿液及1:1 漿液的4.33倍及2.41 倍。表明漿液擴(kuò)散距離在一定水灰比范圍內(nèi)，會(huì)隨著漿液水灰比的增加而明顯增加。而水灰比為2:1 時(shí)，漿液整體的擴(kuò)散距離遠(yuǎn)小于水灰比為1.5:1 的漿液，其100 s 后的漿液擴(kuò)散距離僅為19.8 cm。因此，確定合理的漿液水灰比應(yīng)為1.5:1。

圖1 漿液水灰比對(duì)其擴(kuò)散規(guī)律的影響

2.4 裂隙張開(kāi)度對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響

由于注漿加固漿液充填的目標(biāo)即圍巖的裂隙，因此需研究分析圍巖裂隙的幾何特征對(duì)漿液擴(kuò)散的影響。模擬時(shí)，注漿壓力設(shè)置為3 MPa，漿液水灰比為1.5:1（對(duì)應(yīng)的漿液黏度取26.8 MPa·s），圍巖裂隙張開(kāi)度由1 mm 以一定幅度逐漸增加至4 mm，增長(zhǎng)間隔為1 mm。模擬結(jié)果如圖2。由圖2 可知，不同裂隙張開(kāi)度下，漿液的擴(kuò)散距離均隨著注漿時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，但在同一注漿時(shí)刻下，漿液的擴(kuò)散距離隨著裂隙張開(kāi)度的增加而增大，且裂隙張開(kāi)度越高，漿液的擴(kuò)散速率越快。注漿時(shí)間到70 s 時(shí)，裂隙張開(kāi)度1 mm、2 mm、3 mm、4 mm 對(duì)應(yīng)的漿液擴(kuò)散距離分別為9.4 cm、17.5 cm、29.6 cm、34.3 cm，說(shuō)明圍巖裂隙張開(kāi)度對(duì)漿液擴(kuò)散的影響程度較高。

圖2 裂隙張開(kāi)度對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響

3 過(guò)斷層巷道圍巖控制方案

3.1 注漿材料的確定

注漿材料的主要成分為水泥，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)普通水泥漿液及超細(xì)水泥漿液的基本性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2 及表3。

表3 超細(xì)水泥漿液基本性能

由于普通水泥的粒徑較大，制成漿液后難以注入裂隙張開(kāi)度小于1 mm 的圍巖節(jié)理裂隙中，對(duì)于滲透率較低的巖層，其漿液的擴(kuò)散滲透受限較明顯。而超細(xì)水泥是在普通水泥的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加工細(xì)磨制成，粒徑較小，能夠有效擴(kuò)散至裂隙張開(kāi)度及滲透率低的巖層中，因此注漿效果更好。

由表2 及表3 可知，相同水灰比下，超細(xì)水泥漿液的初始及終止凝結(jié)時(shí)間更短，且密實(shí)率更高，能更好地膠結(jié)穩(wěn)固破碎圍巖，注漿效果更好。

3.2 破碎圍巖注漿加固方案

根據(jù)第2 節(jié)的分析結(jié)果，確定超細(xì)水泥漿液的水灰比為1.5:1。

在巷道頂板及兩幫施工注漿錨桿，淺孔、深孔注漿錨桿沿巷道掘進(jìn)方向間隔施工，即一排為淺孔，下一排為深孔。其中，淺孔注漿錨桿的長(zhǎng)度為1.5 m，并插入15 mm 內(nèi)徑的注漿管，深孔注漿錨桿的長(zhǎng)度為2.8 m，并插入15 mm 內(nèi)徑的注漿管。

淺孔注漿錨桿及深孔注漿錨桿的布置形式一致。其中，頂板注漿錨桿的間距為700 mm，排距為1600 mm，每排施工5 根，靠肩窩處的注漿錨桿距巷道兩幫200 mm，并分別向外傾斜10°施工，其余均垂直巷道頂板施工；巷幫注漿錨桿的間距為1000 mm，每排布置4 根，排距為1600 mm，均水平施工。注漿錨桿具體布置方案如圖3。

圖3 注漿錨桿布置方案（mm）

注漿，采用水灰比1.5:1 的超細(xì)水泥漿液，先對(duì)淺孔注漿錨桿進(jìn)行注漿，終壓為1.5 MPa，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.5 MPa 或表面出現(xiàn)大量漏漿時(shí)，停止施工。待淺孔漿液凝結(jié)后，淺部圍巖止?jié){殼形成，再對(duì)深孔注漿錨桿注漿，終壓為4.0 MPa，注漿壓力達(dá)到4.0 MPa 后，停止注漿，完成圍巖的加固。

4 應(yīng)用效果分析

為分析破碎圍巖加固支護(hù)方案的應(yīng)用效果，在5-4091 巷過(guò)F151 斷層破碎帶區(qū)域布置測(cè)點(diǎn)，采用加固技術(shù)后巷道過(guò)斷層時(shí)圍巖變形，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4。

圖4 巷道位移監(jiān)測(cè)曲線

由圖4 可知，過(guò)斷層時(shí)巷道圍巖初期變形速率較大，變形量持續(xù)增長(zhǎng)；注漿加固后，圍巖變形在20 d 后逐漸趨于穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)期間，頂板累計(jì)下沉量為50.2 mm，兩幫累計(jì)移近量為72.1 mm，最大底鼓量為38.9 mm，均在允許變形范圍內(nèi)，圍巖穩(wěn)定性較好，保證了巷道安全高效地通過(guò)斷層構(gòu)造帶。

5 結(jié)論

1）通過(guò)Comsol 數(shù)值模擬軟件模擬分析了漿液的擴(kuò)散規(guī)律，得出合理的漿液水灰比應(yīng)為1.5:1，且圍巖裂隙張開(kāi)度對(duì)漿液擴(kuò)散的影響程度較高。

2）通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)普通水泥漿液及超細(xì)水泥漿液進(jìn)行了測(cè)試，得出超細(xì)水泥漿液的注漿效果更好，故采用超細(xì)水泥漿液進(jìn)行圍巖注漿加固。

3）設(shè)計(jì)了深、淺孔注漿錨桿交替注漿加固的方式，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：巷道掘進(jìn)過(guò)斷層后，頂板累計(jì)下沉量為50.2 mm，兩幫累計(jì)移進(jìn)量為72.1 mm，最大底鼓量為38.9 mm，均在允許變形范圍內(nèi)，巷道穩(wěn)定性較好。