玉溪煤礦進(jìn)風(fēng)井東部車場(chǎng)巷道注漿加固技術(shù)研究與應(yīng)用

李俊標(biāo)

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048200）

1 工程概況

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦進(jìn)風(fēng)井東部車場(chǎng)沿3#煤層底板布置，3#煤層厚度4.62m～7.00m，平均5.71m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)理裂隙發(fā)育。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚4.66m；基本頂為中粒砂巖，均厚3.93m；直接底和老底均為砂質(zhì)泥巖。巷道斷面為直墻半圓拱形，掘進(jìn)高度為4.65m，掘進(jìn)寬度為5.7m，原有支護(hù)采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用Φ22mm×2400mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，間排距800×800mm；錨索采用Φ21.8mm×7300mm的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，排距1.8m；噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，金屬網(wǎng)采用φ6鋼筋加工而成，網(wǎng)孔規(guī)格為150×150mm。

巷道掘進(jìn)支護(hù)成型后1～6個(gè)月，巷道圍巖變形嚴(yán)重，其中頂板最大下沉量為420mm，兩幫最大收斂量為660mm，且存在著噴層大范圍開(kāi)裂，錨桿索破斷的現(xiàn)象，礦方為了解圍巖的破壞深度及裂隙發(fā)育程度，通過(guò)鉆孔窺視進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，巷道圍巖7.0m以內(nèi)巖體均有大量縱橫交錯(cuò)的裂隙發(fā)育，現(xiàn)擬采用注漿加固的方式控制圍巖變形。

2 注漿加固機(jī)理

松軟破碎圍巖內(nèi)進(jìn)行注漿加固時(shí)，漿液在注漿壓力的作用下進(jìn)入到圍巖內(nèi)部裂隙中，并且隨著漿液的凝固會(huì)對(duì)破碎圍巖體形成膠結(jié)，使圍巖形成一個(gè)完整、連續(xù)的承載體。另一方面，當(dāng)注入破碎圍巖內(nèi)的漿液具有一定強(qiáng)度時(shí)，能夠阻止圍巖在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生原有裂隙的發(fā)育擴(kuò)展[1-3]。

現(xiàn)為充分分析注漿對(duì)破碎圍巖體的加固效果，依據(jù)進(jìn)風(fēng)井東部車場(chǎng)巷道的具體地質(zhì)條件，采用UDEC數(shù)值模擬軟件，建立長(zhǎng)×高=200×81.1m的數(shù)值模擬模型，各巖層力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)條件賦值，數(shù)值模擬中注漿材料參數(shù)根據(jù)水泥漿水灰比為0.6:1時(shí)測(cè)定的力學(xué)參數(shù)賦值，設(shè)置漿液的密度為1800kg，漿液的粘度為134 mPa·s[4-6]。通過(guò)數(shù)值模擬具體分析在單純采用錨索支護(hù)時(shí)和注漿后采用錨索支護(hù)時(shí)圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)的發(fā)育規(guī)律，以此得出注漿加固對(duì)圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)的影響規(guī)律。

2.1 注漿對(duì)圍巖應(yīng)力的影響

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出注漿加固前后錨索支護(hù)下圍巖垂直壓力的分布，得出注漿加固前后采用錨索支護(hù)圍巖垂直壓力與至圍巖表面距離的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 不同加固方式下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

從圖1可以看出，注漿加固后的錨索支護(hù)，巷道淺部圍巖的應(yīng)力狀態(tài)得到了有效的改善，應(yīng)力得到了有效的提升，這能夠表明注漿加固提升可淺部圍巖的承載能力，增強(qiáng)其完整性。通過(guò)對(duì)比注漿前后錨索支護(hù)下圍巖垂直應(yīng)力分布，還能夠看出注漿后，巷道圍巖內(nèi)部的高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)明顯的降低，圍巖內(nèi)部的應(yīng)力逐漸向淺部注漿后形成的承載殼體轉(zhuǎn)移，有效防止了巷道深部圍巖體的進(jìn)一步破碎。

基于上述分析可知，破碎圍巖體在注漿加固后，淺部圍巖的結(jié)構(gòu)得到有效改善，深部圍巖的應(yīng)力逐漸向淺部轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)了圍巖的整體承載能力。

2.2 注漿對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出在注漿加固前后采用錨索支護(hù)時(shí)圍巖塑性區(qū)的發(fā)育規(guī)律，如圖2所示。

圖2 不同加固方式下圍巖塑性區(qū)分布

比較圖 2（a）、（b）可以看出，采用單純錨索支護(hù)方式，巷道兩幫和底板塑性區(qū)范圍仍較大，頂板相對(duì)較小，左幫和右?guī)退苄缘陌l(fā)育深度分別為2.4m，頂板及底板的塑性區(qū)發(fā)育深度分別為2.4m和3.2m；當(dāng)破碎圍巖注漿完成后打設(shè)錨索時(shí)，巷道兩幫的塑性區(qū)均降低為1.2m，降幅達(dá)到50%，頂板的塑性區(qū)發(fā)育深度降低為1.6m，降幅達(dá)到33.3%，底板塑性區(qū)發(fā)育深度降低為2.4m，降幅達(dá)25%；且破碎圍巖體在注漿加固后，圍巖內(nèi)未出現(xiàn)張拉破壞區(qū)域，這即表明注漿加固有效改善了圍巖塑性區(qū)的發(fā)育范圍。

3 注漿加固及支護(hù)

3.1 注漿方案

基于巷道圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的窺視結(jié)果，為防止裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育，確定本次注漿采用深淺孔相結(jié)合的注漿方式，當(dāng)注漿結(jié)束后進(jìn)行全長(zhǎng)預(yù)緊力錨索的安設(shè)。具體注漿及支護(hù)方案如下：

3.1.1 圍巖淺孔注漿

1）注漿孔布置：注漿鉆孔主要布置在巷道頂板及兩幫，相鄰兩排注漿鉆孔三花眼布置。注漿孔間距×排距=1600×2000mm，具體如圖3所示。

2）注漿孔參數(shù)：鉆孔參數(shù)為φ56mm×3000mm，底角鉆孔向下傾斜15°布置，其余鉆孔均垂直巷道表面布置。

3）注漿材料：水泥漿、水泥水玻璃雙液漿，水泥采用525#普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度48～55Be'，（水 + 水泥）：水玻璃 =（0.375+0.625）：1。

4）注漿壓力：注漿終止壓力1～2MPa，為保障注漿效果，可具體根據(jù)注漿現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整。

5）封孔方式：封孔采用麻繩+錨固劑的方式進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為0.5m。

3.1.2 圍巖深孔注漿

1）注漿孔布置：注漿鉆孔主要布置在巷道頂板及兩幫，相鄰兩排注漿鉆孔三花眼布置。注漿孔間距×排距=1600×2000mm，具體如圖4所示。

2）注漿孔參數(shù)：鉆孔為 φ56mm×7000mm，巷道底角鉆孔向下傾斜15°布置，其其余注漿鉆孔均垂直于巷道表面打設(shè)。

3）注漿材料：注漿材料及配比形式同上

4）注漿壓力：注漿終止壓力4～6MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整。

5）封孔方式：封孔采用麻繩+錨固劑的方式進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為1.0m。

圖4 幫頂圍巖深孔注漿布置示意圖

3.1.3 幫頂圍巖支護(hù)

當(dāng)深部注漿鉆孔施工完畢后3d，針對(duì)巷道圍巖補(bǔ)打全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索，注漿錨索參數(shù)為φ17.8mm×7300mm，錨索間排距為 1800mm×2000mm，底角錨索向下傾斜15°布置，其余錨索均垂直于巷道表面布置，具體錨索布置方式如圖5；幫部底角錨索的錨固方式為全長(zhǎng)錨固，錨索端部采用灌漿錨固，灌注水灰比為0.6:1的水泥漿，錨固長(zhǎng)度為2000mm，并預(yù)留第二次注漿張拉預(yù)緊段，灌漿完成七天后進(jìn)行水泥-水玻璃全長(zhǎng)注漿。處幫部底角錨索外，其余錨索均端部采用樹(shù)脂錨固，安裝三支樹(shù)脂錨固劑，兩支Z2360和一支K2335型樹(shù)脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度為1970mm，在樹(shù)脂錨固完成1h后，錨索其余長(zhǎng)度內(nèi)進(jìn)行水泥灌漿作業(yè)，設(shè)置灌漿的注漿終壓為3MPa，錨索施工完畢后施加的預(yù)緊力為200kN，具體支護(hù)圖如圖5。

3.2 效果分析

在進(jìn)風(fēng)東部車場(chǎng)巷道注漿加固及全長(zhǎng)注漿錨索支護(hù)完成后采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行巷道表面位移的監(jiān)測(cè)，共計(jì)布置兩個(gè)礦壓監(jiān)測(cè)站，測(cè)站之間的間距為100m，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出圍巖變形曲線如圖6所示。

圖5 進(jìn)風(fēng)井東部車場(chǎng)巷道幫頂注漿錨索布置圖

圖6 巷道表面位移曲線圖

分析圖6可知，圍巖變形基本集中在支護(hù)完成后0～70d，當(dāng)支護(hù)完成大于70d后，圍巖變形基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂?shù)装逵?jì)兩幫最大變形量分別為21mm和13mm，保障了圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

根據(jù)進(jìn)風(fēng)井東部車場(chǎng)巷道原有支護(hù)下圍巖變形情況，通過(guò)具體分析注漿加固前后錨索支護(hù)圍巖應(yīng)力分布塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律，結(jié)合圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的窺視結(jié)果，確定采用深淺孔注漿+預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)注漿錨索支護(hù)的圍巖控制方案，方案實(shí)施后的巷道表面位移表明，圍巖控制效果良好，有效解決了圍巖變形量大的問(wèn)題。