張 鵬

（晉能控股裝備制造集團(tuán)，山西 晉城 048000）

在雙側(cè)采動(dòng)疊加應(yīng)力影響下，盤區(qū)大巷失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重制約礦井安全高效生產(chǎn)。受采煤工藝提升、開采裝備優(yōu)化、煤炭需求趨緊等諸多因素影響，礦井產(chǎn)能不斷提升，隨之而來的是開采強(qiáng)度的增加，強(qiáng)烈的礦山壓力導(dǎo)致受動(dòng)壓影響巷道收斂變形嚴(yán)重。如何提高破碎圍巖整體性與完整性，成為巷道修復(fù)的關(guān)鍵。注漿加固技術(shù)通過漿液滲入圍巖裂隙，改善其物理力學(xué)性質(zhì)，提高圍巖整體抗壓強(qiáng)度，現(xiàn)場應(yīng)用范圍廣泛[1-3]。本文針對(duì)寺河礦盤區(qū)大巷受雙側(cè)采動(dòng)疊加應(yīng)力影響維護(hù)困難，在調(diào)研現(xiàn)場生產(chǎn)地質(zhì)條件、巷道變形特征、圍巖裂隙窺視的基礎(chǔ)上，提出“圍巖改性+錨索補(bǔ)強(qiáng)”聯(lián)合支護(hù)方式[4-8]，為類似情況下盤區(qū)巷道治理提供借鑒。

1 工程概況

寺河礦東翼四條盤區(qū)大巷布置在5303 和5304兩個(gè)工作面之間，埋深320～350 m，東西走向布置，與工作面推進(jìn)方向平行。四條盤區(qū)大巷從北向南依次為膠帶運(yùn)輸巷、輔助運(yùn)輸巷、回風(fēng)一巷（巖巷）、回風(fēng)二巷。煤巷均沿3#煤層底板掘進(jìn)，斷面尺寸寬×高=5.0 m×4.0 m，留2.2 m 厚煤頂。巖巷布置在3#煤層上覆頂板巖層中，斷面為直墻半圓拱形，距3#煤層頂板約14 m。巷道布置與層位關(guān)系如圖1。東翼盤區(qū)大巷布置方向與5303、5304 工作面推進(jìn)方向平行，先后受到5303、5304 工作面整個(gè)回采階段動(dòng)壓影響，動(dòng)壓影響時(shí)間長，疊加應(yīng)力強(qiáng)度高。回風(fēng)二巷與53033 巷之間凈煤柱尺寸僅為35 m，輔運(yùn)巷距回風(fēng)一巷與膠帶巷分別為10 m、15 m，巷道布置密度高且護(hù)巷煤柱尺寸偏小，巷道變形劇烈，以東翼回風(fēng)二巷變形規(guī)律監(jiān)測與巷道治理進(jìn)行研究。

圖1 東五盤區(qū)東翼集中巷布置圖（m）

2 巷道變形破壞特征分析

2.1 巷道表面位移監(jiān)測

受5303、5304 工作面采動(dòng)影響，東翼四條盤區(qū)大巷均出現(xiàn)不同程度的圍巖收斂變形現(xiàn)象。5304 工作面已回采結(jié)束，為了詳細(xì)掌握受采動(dòng)影響巷道變形情況，在5303 工作面回采期間于東翼回風(fēng)二巷布置多組表面位移測點(diǎn)，取其中一處巷道圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖2 所示。東翼回風(fēng)二巷頂?shù)装逡平孔畲笾?60 mm，兩幫移近量最大值510 mm。受采動(dòng)影響80 d 后，頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量均趨于穩(wěn)定。從監(jiān)測曲線可知，后續(xù)需加強(qiáng)盤區(qū)巷道幫部支護(hù)強(qiáng)度，防止巷道變形影響礦井生產(chǎn)。

圖2 東翼回風(fēng)二巷位移監(jiān)測曲線

2.2 巷道圍巖裂隙窺視

5303 工作面回采結(jié)束后在上述測點(diǎn)旁進(jìn)行鉆孔窺視，掌握圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育情況。鉆孔直徑32 mm，鉆孔深度10 m，窺視結(jié)果見表1。受5303 工作面采動(dòng)影響，巷幫主要破碎深度集中在3.5 m 以內(nèi)，最大破碎深度在4.76 m 以內(nèi)，最大破碎長度66 mm?，F(xiàn)場應(yīng)進(jìn)行淺部圍巖注漿加固，深部圍巖完整性較好，具有良好的承載能力。

表1 鉆孔窺視結(jié)果

3 動(dòng)壓巷道支護(hù)形式

1）錨桿、錨噴支護(hù)

錨桿支護(hù)優(yōu)勢(shì)在于向巷道圍巖提供及時(shí)、主動(dòng)的有力支護(hù)，噴射混凝土起到及時(shí)封閉破碎圍巖，減少水、風(fēng)等對(duì)圍巖強(qiáng)度的不利影響。錨桿、錨噴支護(hù)是一種性能優(yōu)良、適宜于動(dòng)壓巷道、軟巖巷道的最優(yōu)支護(hù)形式。但是，支護(hù)參數(shù)要與現(xiàn)場圍巖結(jié)構(gòu)、采動(dòng)影響等相結(jié)合，方能取得較好的支護(hù)效果。

2）金屬支架

金屬支架按照原材料差異可分為工字鋼、U 型鋼支架、鋼管混凝土支架等，按照支架形狀可分為梯形、拱形、馬蹄形、O 型等。U 型鋼可縮支架具有良好的幾何參數(shù)和斷面形狀，支架受圍巖作用后易于收縮變形，在現(xiàn)場裝配合理、連接良好的基礎(chǔ)上可獲得良好的支架力學(xué)性能。我國常用的U 型鋼可縮支架有U25、U29、U36 三類，同時(shí)又可分為圍巖全封閉與半封閉兩類。然而，U 型鋼可縮支架作為一種被動(dòng)支護(hù)形式，施工困難、費(fèi)用較高，不適宜動(dòng)壓巷道大面積推廣。

3）注漿加固

破碎圍巖注漿加固主要是利用漿液充填圍巖內(nèi)微小裂隙，將破碎松散巖體膠結(jié)起來，提高圍巖強(qiáng)度與完整性。目前國內(nèi)常用于破碎圍巖加固的材料可分為兩大類：一類是無機(jī)材料，包含單液注漿加固材料、雙液注漿加固材料等；另一類是有機(jī)材料，如不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂等，其中聚氨酯樹脂應(yīng)用范圍最為廣泛。注漿加固多用于較為破碎的圍巖條件，通常與其他支護(hù)方式聯(lián)合使用。

4）應(yīng)力控制技術(shù)

應(yīng)力控制技術(shù)通常包括優(yōu)選巷道布置地點(diǎn)，預(yù)掘卸壓巷道、卸壓槽等，將巷道布置于采空區(qū)邊緣應(yīng)力降低區(qū)或采用人工卸壓措施，從而促使巷道周邊高應(yīng)力向深部圍巖轉(zhuǎn)移。因其卸壓效果良好，后期高應(yīng)力巷道變形往往得到有效控制，成為強(qiáng)動(dòng)壓影響下巷道治理的有效手段。

4 巷道加固方案

東翼回風(fēng)二巷受多次采動(dòng)影響巷道圍巖已經(jīng)相當(dāng)破碎，裂隙相當(dāng)發(fā)育。為了提高破碎巖體的可注性，防止?jié){液向淺部擴(kuò)散時(shí)大量泄漏，影響注漿效果，對(duì)圍巖表面實(shí)施噴漿。注漿過程中漿液主要以充填、滲透注漿為主，同時(shí)伴隨著注漿壓力的升高有微小裂隙的劈裂注漿。注漿加固的作用是通過高壓將具有黏結(jié)性的漿液充填到受動(dòng)壓破壞的圍巖內(nèi)部裂隙，將破碎圍巖固結(jié)成新的整體，其內(nèi)部重新形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)體，提高其完整性與承載能力，有助于錨桿（索）錨固力的傳遞，大幅提高破碎圍巖加固質(zhì)量和效果。動(dòng)壓巷道經(jīng)高壓注漿加固后，破碎圍巖整體性得到改善，但承載能力相對(duì)于原巖狀態(tài)仍然較弱，單純采用注漿方式不利于動(dòng)壓巷道后期穩(wěn)定，現(xiàn)場需補(bǔ)打錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。施工強(qiáng)力錨索的目的是在動(dòng)壓巷道破碎圍巖恢復(fù)連續(xù)性后，對(duì)其施加強(qiáng)力的邊界條件，有效提高其承載能力，防止圍巖遭受二次破壞，保障巷道安全使用。

經(jīng)綜合分析論證，提出東翼回風(fēng)二巷加固的方案：巷幫淺孔注漿加固+圍巖表面噴漿+強(qiáng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

4.1 巷幫注漿加固

受強(qiáng)動(dòng)壓影響巷幫煤體松軟破碎，從前期鉆孔窺視結(jié)果來看，巷幫破碎深度在4～5 m，導(dǎo)致已施工錨桿錨固力不足，刷幫作業(yè)時(shí)極易發(fā)生片幫事故，因而巷修前應(yīng)進(jìn)行煤幫預(yù)注漿加固。預(yù)注漿鉆孔呈“三花”形布置，鉆孔直徑42 mm，孔深6 m，上排孔距巷道頂板1 m，排距6 m，垂直巷幫施工；下排孔距巷道底板1 m，排距6 m，垂直巷幫施工，開孔位置可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，如圖3。選用速凝早強(qiáng)注漿材料，水灰比控制在0.6～0.8之間，注漿終止壓力在3～4 MPa。注漿過程中遭遇煤幫漏漿情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行堵漏處理，如局部出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿導(dǎo)致注漿量不達(dá)標(biāo)時(shí)，后期應(yīng)進(jìn)行二次補(bǔ)注。

圖3 巷幫預(yù)注漿鉆孔布置（m）

聯(lián)邦無機(jī)加固材料作為一種新型的地質(zhì)聚合物注漿加固類材料，主要成分為各類無機(jī)礦粉，其具備速凝、早強(qiáng)、擴(kuò)散范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其與煤體黏結(jié)強(qiáng)度較普通硅酸鹽水泥類注漿材料有大幅提高。聯(lián)邦無機(jī)加固材料具備以下優(yōu)勢(shì)：1）聯(lián)邦無機(jī)加固材料A、B 組分均為無機(jī)礦粉，具備無毒、無腐蝕、不自燃等特性，為完全環(huán)保型注漿加固材料；2）單組分加水?dāng)嚢韬螅瑵{液不沉淀、不泌水，具備良好的流動(dòng)特性，適宜遠(yuǎn)距離泵送施工；3）單組分漿液混合后，0～5 min 失去流動(dòng)性，5～15 min即可完全固化，1～8 h 強(qiáng)度能達(dá)到8～15 MPa 以上，具備早強(qiáng)、速凝特性，特別適合采煤、掘進(jìn)工作面等時(shí)效性較高的地點(diǎn)加固需求；4）聯(lián)邦無機(jī)加固材料水灰比可在較大范圍調(diào)整（0.5～2:1），適用于不同破碎程度的圍巖加固需求；5）聯(lián)邦無機(jī)加固材料具備較強(qiáng)的可注性，擴(kuò)散半徑可達(dá)3～5 m，擴(kuò)散性可與高分子有機(jī)加固材料媲美，其與煤巖體膠結(jié)強(qiáng)度較普通硅酸鹽類注漿材料有較大幅度提升；6）聯(lián)邦無機(jī)加固材料可采用簡易氣動(dòng)注漿系統(tǒng)，其具備設(shè)備輕便、系統(tǒng)簡單、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)。

經(jīng)綜合論證，確定選用聯(lián)邦無機(jī)加固材料對(duì)回風(fēng)二巷進(jìn)行巷幫淺孔注漿加固。

4.2 圍巖表面噴漿

現(xiàn)場每次刷幫長度控制在2 m 以內(nèi)。刷幫完成后及時(shí)張拉已有的Φ22 mm×4300 mm 錨索作為臨時(shí)支護(hù)，防止片幫事故發(fā)生。同時(shí)，配合鋼筋網(wǎng)片護(hù)表，提升支護(hù)體整體強(qiáng)度，網(wǎng)片搭接不小于100 mm，采用16#鐵絲雙股連接，聯(lián)網(wǎng)間距100 mm。完成臨時(shí)支護(hù)后，立即對(duì)巷道圍巖進(jìn)行噴漿封閉，包括巷道兩幫及頂板，砂漿強(qiáng)度C20，噴射厚度不低于100 mm，噴層不得出現(xiàn)蜂窩、漏噴等現(xiàn)象。水泥:黃沙:石粉質(zhì)量比=1:2:2，砂漿拌制完成后加入速凝劑，其質(zhì)量為水泥質(zhì)量的4%。

4.3 錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

1）回風(fēng)二巷掘進(jìn)期間頂板支護(hù)。采用錨網(wǎng)索組合支護(hù)方式，錨桿規(guī)格Φ22 mm×2400 mm，每排6 根，間排距900 mm×1000 mm；錨索規(guī)格Φ22 mm×7300 mm，呈2-0-2 布置，間排距1800 mm×2000 mm；菱形網(wǎng)規(guī)格5200 mm×1200 mm。

2）回風(fēng)二巷巷修期間頂板支護(hù)。采用補(bǔ)打錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，錨索為Φ22 mm×7300 mm，排距1000 mm，鉆孔Φ30 mm；錨索托板采用300 mm×300 mm×16 mm 高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，承載能力≥550 kN，錨索預(yù)緊力≥250 kN，均垂直頂板打設(shè)。補(bǔ)強(qiáng)后錨索呈4-4-4布置。如圖4（a）。

圖4 回風(fēng)二巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案（mm）

3）回風(fēng)二巷掘進(jìn)期間巷幫支護(hù)。采用純錨桿支護(hù)方式，錨桿規(guī)格Φ22 mm×2400 mm，每排4根，間排距900 mm×1000 mm；菱形網(wǎng)規(guī)格3600 mm×1200 mm。

4）回風(fēng)二巷巷修期間巷幫支護(hù)。補(bǔ)打錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，錨索規(guī)格為Φ22 mm×4300 mm，錨索間排距1100 mm×1000 mm，錨索預(yù)緊力不低于150 kN，均垂直巷幫打設(shè)。補(bǔ)強(qiáng)后錨索呈4-4-4 布置。錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)布置方式如圖4（b）。

5 效果考察

回風(fēng)二巷經(jīng)注漿加固+錨索補(bǔ)強(qiáng)后，圍巖變形得到有效控制。巷道圍巖活動(dòng)穩(wěn)定后，1#測點(diǎn)頂?shù)装逡平孔畲笾?0 mm，兩幫移近量最大值40 mm；2#測點(diǎn)頂?shù)装逡平孔畲笾?0 mm，兩幫移近量最大值60 mm，如圖5 所示?；仫L(fēng)二巷經(jīng)注漿加固+錨索補(bǔ)強(qiáng)后，巷道有害變形得到有效控制。

圖5 補(bǔ)強(qiáng)加固后回風(fēng)二巷位移監(jiān)測曲線

6 結(jié)論

1）回風(fēng)二巷受鄰近5304 工作面、5303 工作面采動(dòng)影響，巷道變形嚴(yán)重，頂?shù)装逡平孔畲笾?60 mm，兩幫移近量最大值510 mm。巷道圍巖受多次強(qiáng)動(dòng)壓反復(fù)加載、擠壓，圍巖內(nèi)部松軟破碎、裂隙極度發(fā)育，是誘發(fā)巷道失穩(wěn)變形的直接原因。

2）回風(fēng)二巷經(jīng)注漿加固、圍巖表面噴漿與錨索補(bǔ)強(qiáng)施工后，巷道圍巖完整性與整體性得到大幅提升，有效傳遞補(bǔ)強(qiáng)錨索施加于圍巖表面的預(yù)緊力，擴(kuò)大補(bǔ)強(qiáng)錨索對(duì)巷道圍巖預(yù)應(yīng)力作用深度，提升支護(hù)體主動(dòng)支承能力，確保巷道處于圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。