煤巷斷層破碎帶圍巖注漿加固技術(shù)研究

任 鵬

（潞安化工集團(tuán)晉中分公司，山西 晉中 032600）

1 概況

寺家莊煤礦隸屬于潞安化工集團(tuán)，其15309 工作面主采15#煤層，15#煤層厚度3.92～6.46 m，平均5.49 m，煤層傾角為2°～10°，平均為4°，煤層賦存較為穩(wěn)定，整體起伏變化不大。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)

15309 工作面進(jìn)風(fēng)巷沿15#煤層頂板向南隨層掘進(jìn)，南北方向布置，主要用于15309 工作面回采期間的進(jìn)風(fēng)和運(yùn)料，平均埋深為400 m。巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2895 m，設(shè)計(jì)為矩形斷面，凈寬×凈高=5200 mm×3400 mm。根據(jù)地測(cè)部勘探資料，15309 工作面進(jìn)風(fēng)巷預(yù)計(jì)掘進(jìn)至北一盤(pán)區(qū)輔助運(yùn)輸巷往南1 698.5 m 處遇三維地震二次解釋落差5 m的正斷層NDF6。

由于斷層落差較大，巷道掘進(jìn)至斷層帶時(shí)，極有可能出現(xiàn)頂板下沉、底板鼓起及兩幫變形嚴(yán)重甚至冒頂?shù)默F(xiàn)象。為保證巷道的穩(wěn)定性及掘進(jìn)效率，需對(duì)巷道過(guò)斷層圍巖支護(hù)參數(shù)及注漿預(yù)加固技術(shù)展開(kāi)研究。

2 斷層破碎帶巷道注漿強(qiáng)化技術(shù)

2.1 模型建立

根據(jù)15309 工作面進(jìn)風(fēng)巷實(shí)際工程地質(zhì)條件，采用Comsol 數(shù)值模擬軟件建立二維數(shù)值模擬模型。模型長(zhǎng)度為40 m，寬度為40 m，在模型中央布置巷道，巷道尺寸為5200 mm×3400 mm。模型上表面根據(jù)工作面埋深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(mǎn)整個(gè)鉆孔，并向鉆孔周?chē)膸r體內(nèi)擴(kuò)散，漿液在鉆孔各位置的初始滲透壓力相同。模型中，圍巖體的容重取平均值為25 kN/m3，圍巖的孔隙率為0.057，孔隙滲透率為3.8×10-18，漿液的容重為11.8 kN/m3。鉆孔布置于巷道頂板中間，鉆孔深度為2.5 m，鉆孔直徑為56 mm，模擬單一鉆孔下注漿壓力、注漿時(shí)間等參數(shù)對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響。

2.2 注漿時(shí)間對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響

模擬注漿時(shí)間為100 s、300 s、600 s、1000 s下的漿液擴(kuò)散規(guī)律。為消除其他因素的影響，模擬時(shí)注漿壓力統(tǒng)一為2 MPa，漿液黏滯系數(shù)均為0.14 Pa·s，模擬結(jié)果如圖1。不同注漿時(shí)間下，漿液的壓力隨著擴(kuò)散深度的增加均呈衰減的趨勢(shì)，擴(kuò)散至圍巖最遠(yuǎn)處時(shí)的壓力降低至0 MPa；而隨著注漿時(shí)間的增加，漿液在圍巖的擴(kuò)散范圍有明顯的增加，圍巖同一深度下的漿液壓力也呈增大的趨勢(shì)。因此，適度提高注漿時(shí)間可以有效增加注漿加固范圍。

圖1 注漿時(shí)間對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響

2.3 注漿壓力對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響

模擬注漿壓力為0.5 MPa、2.0 MPa、4.0 MPa、6.0 MPa 下壓頭為20 m 的漿液擴(kuò)散規(guī)律。為消除其他因素的影響，模擬時(shí)注漿時(shí)間統(tǒng)一為500 s，漿液黏滯系數(shù)均為0.14 Pa·s，模擬結(jié)果如圖2。由模擬結(jié)果可知，20 m 等壓線(xiàn)的漿液呈拱狀分布擴(kuò)散。隨著注漿壓力的增大，20 m 等壓線(xiàn)逐漸向外擴(kuò)散，表明增大注漿壓力可以提高注漿加固范圍。另外，注漿壓力由0.5 MPa 增加至2 MPa 時(shí)，漿液的擴(kuò)散范圍增加幅度較大，而注漿壓力由2 MPa 增加至4 MPa、4 MPa 增加至6 MPa 時(shí)的漿液擴(kuò)散范圍并無(wú)大幅度的增加，變化較小，說(shuō)明注漿壓力較小時(shí)，漿液的擴(kuò)散范圍較小，注漿效果欠佳，而當(dāng)注漿壓力達(dá)到一定的值時(shí)，繼續(xù)增大注漿壓力對(duì)漿液的擴(kuò)散范圍并無(wú)明顯的影響。因此，結(jié)合實(shí)際條件，確定合理的注漿壓力范圍為2～4 MPa。

圖2 注漿壓力對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響

2.4 漿液黏滯系數(shù)對(duì)其擴(kuò)散規(guī)律的影響

模擬漿液黏滯系數(shù)為0.12 Pa·s、0.14 Pa·s、0.30 Pa·s、0.77 Pa·s 下的漿液擴(kuò)散規(guī)律。為消除其他因素的影響，模擬時(shí)注漿時(shí)間統(tǒng)一為500 s，注漿壓力均為2.0 MPa，模擬結(jié)果如圖3。漿液的黏滯系數(shù)主要與水灰比有關(guān)，根據(jù)二者間的定量關(guān)系可換算出四種黏滯系數(shù)下的漿液水灰比分別為 2:1、1.5:1、1:1及0.8:1。由模擬結(jié)果可知，隨著漿液黏滯系數(shù)的增加，漿液擴(kuò)散范圍呈先增大后減小的趨勢(shì)，黏滯系數(shù)為0.14 Pa·s 時(shí)的漿液擴(kuò)散范圍最大，由此可確定出合理的漿液黏滯系數(shù)為0.14 Pa·s，對(duì)應(yīng)的漿液水灰比為1.5:1。

圖3 漿液黏滯系數(shù)對(duì)其擴(kuò)散規(guī)律的影響

2.5 注漿參數(shù)的確定

根據(jù)模擬結(jié)果，漿液黏滯系數(shù)確定為0.14 Pa·s。為確定出具體的注漿壓力，進(jìn)行正交模擬試驗(yàn)，模擬結(jié)果如圖4。由圖4 可知，隨著注漿時(shí)間的增大，漿液擴(kuò)散范圍逐漸增大，但增加幅度隨著時(shí)間的增加逐漸減小。同一注漿時(shí)間下，隨著注漿壓力的增加，漿液擴(kuò)散范圍也隨之增大。當(dāng)注漿壓力低于4 MPa 時(shí)，漿液擴(kuò)散范圍隨注漿壓力增加而增大的幅度較大；注漿壓力高于4 MPa 時(shí)，漿液擴(kuò)散范圍隨注漿壓力增加而增大的幅度較小。因此，合理的注漿壓力應(yīng)維持在4 MPa。

圖4 正交模擬試驗(yàn)結(jié)果

綜合上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，合理的注漿壓力為4 MPa，注漿時(shí)間不低于600 s，漿液黏滯系數(shù)為0.14 Pa·s。此時(shí)漿液的擴(kuò)散范圍為2.0 m，即漿液擴(kuò)散半徑為1.0 m。

3 斷層破碎帶巷道圍巖控制方案[1-4]

3.1 巷道支護(hù)方案

15309 工作面進(jìn)風(fēng)巷過(guò)NDF6 正斷層時(shí)，圍巖較為破碎，應(yīng)選用支護(hù)阻力擴(kuò)散范圍更大的錨桿及護(hù)表能力較強(qiáng)的鋼帶控制圍巖變形。根據(jù)實(shí)際條件確定出15309 工作面進(jìn)風(fēng)巷過(guò)斷層的具體指數(shù)參數(shù)如下：

頂板采用直徑為20 mm、長(zhǎng)度為2500 mm 的無(wú)縱筋高強(qiáng)錨桿支護(hù)，錨桿間距為900 mm，排距為900 mm，每排布置6 根，靠近肩窩側(cè)的兩根錨桿與垂線(xiàn)呈20°夾角向外傾斜施工，其余錨桿均垂直于頂板施工，錨桿的屈服強(qiáng)度應(yīng)不低于350 MPa；頂錨索為直徑21.8 mm、長(zhǎng)度6300 mm 的高強(qiáng)度鋼絞線(xiàn)，間距為2000 mm，排距為800 mm，每排布置3根，并保證每根錨索的預(yù)緊力不低于330 kN。頂錨索用長(zhǎng)×寬×厚=4800 mm×190 mm×5 mm 的M5 型鋼帶搭接在一起進(jìn)行護(hù)表支護(hù)。

巷道兩幫支護(hù)的錨桿規(guī)格與頂板一致，錨桿間距為900 mm，排距900 mm，每排4 根，要求錨桿預(yù)緊力矩不小于350 N·m。靠近頂?shù)装邋^桿施工角度與水平線(xiàn)成20°夾角，其余錨桿施工角度與巷幫垂直，采用2 根1.7 m 的M5 鋼帶相搭接，豎直布置。

頂板及兩幫均用10#菱形鐵絲網(wǎng)護(hù)表，每根頂錨桿采用2 支Z2360 型樹(shù)脂藥卷錨固，每根幫錨桿采用1 根樹(shù)脂藥卷錨固，頂錨索消耗3 支錨固。具體支護(hù)設(shè)計(jì)如圖5。

圖5 巷道支護(hù)斷面（mm）

3.2 破碎圍巖注漿加固技術(shù)

高強(qiáng)度錨桿支護(hù)可以提高巷道表面圍壓，將松軟破碎的淺部圍巖與深部穩(wěn)定巖層錨固成一個(gè)整體。但由于斷層帶附近巷道圍巖破碎程度較高，整體性極差，錨桿支護(hù)阻力無(wú)法有效擴(kuò)散，需要對(duì)破碎圍巖進(jìn)行注漿加固，使其形成完整的承載體。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合15309 工作面進(jìn)風(fēng)巷的實(shí)際地質(zhì)條件，確定出注漿加固合理的注漿壓力為4 MPa，注漿時(shí)間應(yīng)大于600 s，漿液黏滯系數(shù)為0.14 Pa·s（即漿液水灰比為1.5:1）。

頂板注漿鉆孔間距為1800 mm，排距為2000 mm，每排布置3 個(gè)孔；兩幫注漿鉆孔間距為1800 mm，排距為2000 mm，每排布置2 個(gè)孔；所有注漿鉆孔的深度均為2500 mm，鉆孔直徑為50 mm。具體注漿鉆孔布置如圖6。

圖6 注漿鉆孔布置圖（mm）

4 圍巖控制效果分析

為分析圍巖控制方案的應(yīng)用效果，在15309 工作面進(jìn)風(fēng)巷過(guò)NDF6 斷層破碎帶區(qū)域布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)采用控制技術(shù)后巷道過(guò)斷層時(shí)的圍巖變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7。

由圖7 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)，在20 d 后逐漸趨于穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)期間，頂?shù)装謇塾?jì)移進(jìn)量為98 mm，兩幫累計(jì)移進(jìn)量為256 mm。兩幫的變形量要高于頂?shù)装?，但整體位移較小，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。

圖7 巷道位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

5 結(jié)論

（1）通過(guò)采用Comsol 數(shù)值模擬軟件分析出15309 工作面進(jìn)風(fēng)巷過(guò)NDF6 斷層破碎帶時(shí)的合理注漿參數(shù)為：注漿壓力4 MPa，注漿時(shí)間應(yīng)大于600 s，漿液黏滯系數(shù)0.14 Pa·s。

（2）根據(jù)15309 工作面進(jìn)風(fēng)巷實(shí)際條件，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)及注漿鉆孔布置參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，巷道圍巖整體位移較小，保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。