注漿加固工藝在掘進巷道中的應用研究

郭二鵬

（山西正誠礦山安全技術(shù)研究所，山西 晉城 048000）

煤炭資源在我國一次性能源消費結(jié)構(gòu)中占有很大比例，在國民經(jīng)濟中具有不可替代的作用。隨著煤礦開采水平的不斷提高，制約煤礦發(fā)展的一系列技術(shù)難題得到了解決，但受煤礦開采深度和蓋山厚度的增加、巷道斷面不斷增大、地質(zhì)條件愈發(fā)復雜等諸多因素的影響，掘進巷道變形量大、變形快，常還未進行回采，巷道就發(fā)生嚴重變形，導致巷道無法使用的情況時有發(fā)生[1-2]。礦井巷道維護次數(shù)多，成本增加，同時也造成煤礦的采掘工作緊張，導致煤礦采掘比失衡，制約著煤礦高產(chǎn)高效的發(fā)展。因此，解決煤礦巷道變形、提高巷道使用壽命成為現(xiàn)階段面臨的重大問題。

1 東五東翼輔助運輸巷變形原因分析

東五東翼輔助運輸巷為采用錨桿、錨索一次性支護方式的矩形巷道，南側(cè)為5303 工作面，該工作面為回采工作面。東五東翼輔助運輸巷在掘進期間發(fā)生明顯變形，變形嚴重區(qū)域的底鼓量達到1.5 m，兩幫收縮量達到1 m。尤其在5303 工作回采完畢后，巷道變形量急劇增加，部分巷道底鼓量達到2.5 m。為了減少巷道的維護次數(shù)和費用，同時增加巷道使用壽命，通過現(xiàn)場勘察、地質(zhì)力學參數(shù)測定等[3]，綜合分析巷道變形原因如下：

1）應力影響。從煤層底板等高線圖上分析，變形區(qū)域位于向斜軸部位置，水平應力大。

2）巷幫初次支護強度偏低。煤幫采用單體錨桿支護，支護強度和剛度不足。

3）煤柱尺寸留設偏小。輔運巷道與膠帶巷之間的凈煤柱為15 m，煤柱發(fā)生塑性破壞，變形量大，若再受回采動壓影響，易出現(xiàn)整體塌方的危險。

4）巷幫煤體破碎，錨固力不足。巷幫錨桿多為整體外移，目前施工的幫部補強錨索錨固力達不到150 kN 的要求，因此應該先注漿，將圍巖充填密實后，再進行錨索補強，否則圍巖的裂隙或離層會影響錨索預應力的傳遞。

5）初次支護質(zhì)量不過關(guān)。錨桿支護不成排，支護參數(shù)不統(tǒng)一。

2 巷道基本情況

2.1 巷道布置情況

井下位置及四鄰采掘情況：5303 與5304 工作面中間位置共布置6 條巷道，由南至北依次是53033巷、東翼回風二巷、東翼回風一巷、東翼輔運巷、東翼膠帶巷和53043 巷，其中僅有東翼回風一巷為頂板巖巷，其他均為煤巷。

煤柱尺寸：53033 巷與東翼回風二巷之間40 m（凈煤柱35 m）、東翼回風二巷與東翼輔運巷之間35 m（凈煤柱30 m）、東翼輔運巷與東翼膠帶巷之間20 m（凈煤柱15 m）、東翼膠帶巷與53043 巷之間105 m（凈煤柱100 m）。巷道布置圖如圖1 所示。

圖1 巷道布置圖

2.2 煤層頂?shù)装鍡l件

東五東翼輔助運輸巷煤層頂?shù)装鍡l件如表1 所示。

表1 煤層頂?shù)装鍡l件

2.3 地質(zhì)力學參數(shù)測試

晉控煤業(yè)寺河礦東五盤區(qū)地應力測量結(jié)果：

1）第一測站最大水平主應力為11.89 MPa，最小水平主應力為6.23 MPa；第二測站最大水平主應力為15.60 MPa，最小水平主應力為8.43 MPa；第三測站最大水平主應力為11.21 MPa，最小水平主應力為6.24 MPa。根據(jù)標準：0～10 MPa 為低應力區(qū)，10～18 MPa為中等應力區(qū)，18～30 MPa 為高應力區(qū)；大于30 MPa為超高應力區(qū)。由此判斷測試區(qū)域地應力場在量值上屬于中等應力區(qū)。

2）第一測點最大水平主應力方向為N80.2°E；第二測點最大水平主應力方向為N75.6°E；第三測點最大水平主應力方向為N83.8°E。

2.4 東五東翼運輸巷圍巖結(jié)構(gòu)窺視

共窺視兩組鉆孔，每組鉆孔分別包括1 個頂板孔和2 個幫孔，鉆孔深度為10 m，共計6 個。第一組鉆孔距8 號橫穿口20 m，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，第二組鉆孔距9 號橫穿口15 m，結(jié)構(gòu)如下頁圖3 所示。

圖2 第一組鉆孔結(jié)構(gòu)圖

圖3 第二組鉆孔結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)第一組窺視孔可以看出，頂孔0～2.3 m 為煤層，裂隙發(fā)育；1.8～2.1 m 處為空洞；2.3～3.4 m 處巖層完整；3.4～3.6 m 巖層橫向裂隙發(fā)育；3.7～5.4 m 巖層完整；5.4～6 m 巖層橫向裂隙發(fā)育；6～7 m 巖層完整；7～7.6 m 巖層裂隙發(fā)育；7.6～9.5 m 巖層完整。右?guī)涂?～1.5 m 煤層破碎，內(nèi)有裂隙；1.5～2.8 m 煤層完整；2.8～3.4 m 煤層裂隙發(fā)育；3.4～4.2 m 煤層完整；窺視到4.2 m 時孔塌。左幫孔0～1.7 m 煤層破碎，松軟；1.8～4.6 m 煤層較完整；窺視到4.6 m 處時孔塌。

根據(jù)第二組窺視孔可以看出，頂孔0～2.0 m 為頂煤，煤層完整；2～5.8 m 巖層完整；5.8 m 處為橫向裂隙；6.1～6.3 m、7.7～7.9 m、8.1 m 處巖層縱向裂隙發(fā)育；8.7～9.0 m 巖層破碎。右?guī)涂?～2.5 m 破碎，裂隙發(fā)育，有空洞；2.8～3.2 m 煤層橫向裂隙發(fā)育；3.2～6.0 m 煤層完整；窺視到6.0 m 時孔塌。左幫孔0～1.1 m 煤層完整；1.1～1.6 m 煤層有空洞；2.3～2.5 m 煤層破碎；2.5～5.8 m 煤層完整；5.8～6.2 m 煤層破碎，裂隙發(fā)育，有空洞；6.2～9.3 m 煤層完整。

3 選擇加固方案

巷道圍巖控制通常可采取的方法包括：

1）架棚鋼梁支護。破碎圍巖巷道采取架棚鋼梁配合錨網(wǎng)支護，提前對圍巖進行預應力控制，一旦頂板或兩幫發(fā)生圍巖變形，將架棚鋼梁支護應用于高應力環(huán)境中的圍巖控制，鋼梁的彈性變形增大，可以及時更換架棚鋼梁支護。

2）注漿加固。圍巖由于應力增大而遭到破壞，內(nèi)部裂隙增多，巷道采用錨桿錨索金屬網(wǎng)支護已不能滿足需求，需要采用注漿加固的方法才能控制住圍巖的繼續(xù)變形。漿液注入圍巖內(nèi)部裂隙后，圍巖已膠結(jié)，圍巖內(nèi)部裂隙減少，破壞的圍巖經(jīng)過漿液的膠結(jié)作用，形成了具有完整結(jié)構(gòu)的連續(xù)整體，漿液膠結(jié)體具有足夠的強度，可以有效阻止高應力對圍巖的繼續(xù)破壞，控制了圍巖內(nèi)部裂隙的繼續(xù)破壞和發(fā)展，同時使破碎圍巖的可錨性顯著增強，為錨桿和錨索的再次錨固提供了基礎。注漿后重新形成的煤體和漿液的結(jié)合體，在凝固后重新形成了具有足夠強度的連續(xù)結(jié)構(gòu)體，有利于錨固的同時，大大提高了加固質(zhì)量和效果。

3）強力注漿錨索加固。該加固方案的目的是在底板破碎圍巖恢復連續(xù)性后，對其施加強力的邊界條件，使注漿后的底板圍巖具有較強的承載能力，阻止圍巖再次被破壞，確保加固后的巷道圍巖穩(wěn)定。

4 采取的控制措施

4.1 巷道掘進超前注漿

巷道在掘進前，利用ZQJC-150/3.0S 型風動鉆機配套Φ69 mm 鉆桿、Φ76 mm 鉆頭等鉆具，向?qū)嶓w煤的頂板和兩幫施工30 m 的超前注漿孔，采用聯(lián)邦加固I 號（雙液）注漿材料并配合注漿泵完成注漿[4]，從而保證巷道掘進期間的巷道成型效果。

4.2 改變支護方式

巷道掘進期間，頂板平整時采用鋼筋網(wǎng)護頂，配合錨桿構(gòu)件鋼筋梯梁來維護頂板；當遇到頂、幫圍巖條件不好、裂隙明顯、維護難度大的情況時，采取架棚鋼梁支護。

4.3 對巷道及時注漿加固

對巷道進行巷幫注漿：采用深淺孔結(jié)合的方法，淺孔主要為堵漏，深孔為高壓注漿，注漿之前要對圍巖進行窺視，確定圍巖的破壞深度和破壞范圍。

頂板注漿：同巷幫注漿。注漿完畢后，再施工錨索補強支護，提高張拉錨索預緊力水平。

5 注漿方案

東五盤區(qū)東翼輔運巷形狀為矩形，設計尺寸巷高3.8 m，巷寬5 m，掘進斷面積為19 m2。

5.1 超前注漿參數(shù)確定

在巷道掘進工作面迎頭，注漿鉆孔采用超深孔布置形式，鉆孔采用頂板3 個孔、兩幫各1 個孔的布置方式，頂板孔施工長度為30 m，在頂板下方1.0 m 處按45°向迎頭左前方、右前方、中部各施工1 個孔，鉆孔直徑為42 mm；巷幫施工長度為20 m，在巷幫中部按45°向前方施工1 個孔，鉆孔直徑為42 mm。

5.2 巷幫加固參數(shù)確定

在巷道掘進工作面距離迎頭0～20 m 范圍內(nèi)注漿。注漿時采取深孔與淺孔相結(jié)合的“三花”布置，距巷道底板1 m 處，淺孔施工長度為3 m，排距3 m，鉆孔直徑為42 mm；在兩排淺孔中間施工深孔，深孔施工長度為8 m，排距3 m，注漿鉆孔的布置如圖4 所示。為防止串漿，盡量在下排鉆孔注漿結(jié)束后再施工上排鉆孔。

圖4 巷幫鉆孔布置圖（mm）

5.3 頂板加固參數(shù)確定

在巷道掘進工作面距離迎頭0～20 m 范圍內(nèi)注漿。注漿時采取深孔與淺孔相結(jié)合的“三花”布置，淺孔施工長度為3 m，排距3 m，鉆孔直徑為42 mm；在兩排淺孔之間進行深孔施工，長度為8 m，排距3 m，注漿鉆孔的布置如圖5 所示。

圖5 頂板注漿鉆孔布置圖（mm）

現(xiàn)場施工與瓦斯抽放孔的施工情況可進行局部位置調(diào)整，應盡量施工在空擋區(qū)域，且需與瓦斯抽放孔保持一定的安全距離。

6 注漿加固后的效果

經(jīng)過一年時間的觀察，采取注漿加固方案后有如下效果：巷道頂板下沉量被控制在0.3 m 以內(nèi)；底板鼓起量被控制在0.5 m 以內(nèi)，只需要在巷道底板不平整時及時用風鎬對巷道底板進行平整就可以保證巷道的連續(xù)使用；巷道兩幫移近量被控制在0.5 m 以內(nèi)，不影響巷道的正常使用。