馬富君

(潞安集團(tuán) 蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200)

隨著我國煤炭開采深度的不斷增大，巷道所受的地應(yīng)力逐漸增大、地質(zhì)構(gòu)造逐漸增多，尤其在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，采掘作業(yè)的進(jìn)行會(huì)打破破碎圍巖體原有弱面非連續(xù)介質(zhì)的平衡狀態(tài)，使得巷道產(chǎn)生較大的變形，釋放大量的能量。針對構(gòu)造破碎圍巖體采用普通錨網(wǎng)索支護(hù)或架棚支護(hù)不能有效控制巷道圍巖的變形，易出現(xiàn)錨桿索失效、鋼棚受壓彎曲等現(xiàn)象，為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，需對構(gòu)造破碎圍巖體進(jìn)行加固處理。根據(jù)伊田煤業(yè)11#煤帶式輸送機(jī)大巷過斷層、陷落柱段圍巖體變形的具體特征，結(jié)合注漿加固機(jī)理對巷道采用復(fù)合材料注漿加固的方案，提升巷道圍巖體的整體承載能力，為礦井安全高效生產(chǎn)提供保障。

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)伊田煤業(yè)有限公司11#煤帶式輸送機(jī)大巷沿東西方向布置，主要用于二水平煤炭開采運(yùn)輸及行人，巷道沿11#煤層底板掘進(jìn)，煤層均厚為5.17 m，巷道斷面為直墻半圓拱形，凈寬4.2 m×凈高3.7 m，采用錨網(wǎng)+錨索+29U型鋼棚聯(lián)合支護(hù)的方法進(jìn)行支護(hù)。巷道所處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，屬于松軟破碎圍巖，共5處區(qū)域受陷落柱及斷層的影響較為嚴(yán)重，在現(xiàn)有支護(hù)方式下圍巖變形量大，頂?shù)装遄畲笠平?00 mm，兩幫最大移近量為1 500 m.巷道受地質(zhì)構(gòu)造影響圍巖變形嚴(yán)重區(qū)域見圖1.

圖1 11#煤帶式輸送機(jī)大巷5處需補(bǔ)強(qiáng)加固位置示意圖

2 注漿加固機(jī)理分析

注漿加固指的是通過物理或者化學(xué)的方法，利用注漿泵或其他手段，將能夠固化且滲透性強(qiáng)的材料按一定比例配制成漿液注入破碎圍巖裂隙當(dāng)中，提高并改善圍巖體的強(qiáng)度，具體注漿加固的作用如下：

1)壓力拱充填加固作用。注漿加固能夠有效提高淺部破壞圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，是壓力拱強(qiáng)化的一種有效方法。注漿不僅提高壓力拱內(nèi)巖體的強(qiáng)度，而且增加壓力拱的整體性，改善壓力拱的受力情況，提高壓力拱的承載能力，維持巷道圍巖穩(wěn)定性[1].根據(jù)庫倫理論可知，煤巖體抗剪強(qiáng)度的表達(dá)式為：

τ=c+σtanφ

(1)

式中：

τ—巖體抗剪強(qiáng)度，MPa；

σ—正應(yīng)力，MPa；

c—巖體的內(nèi)聚力，MPa；

φ—內(nèi)摩擦角，(°).

當(dāng)松軟破碎圍巖注漿加固后，能夠?qū)鷰r中的節(jié)理裂隙、孔隙區(qū)域進(jìn)行有效充填并壓密，保障被注漿液能夠與圍巖裂隙面形成有效的膠結(jié)，提升煤巖體整體的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力(內(nèi)聚力c能夠提高40%～70%，使莫爾圓遠(yuǎn)離強(qiáng)度包絡(luò)線)，進(jìn)而提升破碎圍巖體整體的抗剪強(qiáng)度及承載能力。

2)注漿為錨桿提供可靠的著力基礎(chǔ)。普通的錨桿進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)，一般采用端頭錨固的形式，其錨固效果與全長錨固的效果相比，承載能力相差較大。注漿加固后錨桿的支護(hù)理論及實(shí)踐研究表明[2-3]，錨桿采用端頭錨固后進(jìn)行注漿加固，能夠有效地將錨桿在圍巖體內(nèi)變?yōu)槿L錨固，提高錨桿的支護(hù)強(qiáng)度，加強(qiáng)巷道淺部圍巖的承載能力。端頭錨固注漿前后錨桿錨固力與巷道位移關(guān)系見圖2.

圖2 兩種錨固方式錨桿錨固力與巷道變形的關(guān)系圖

3)漿液起到支撐結(jié)構(gòu)的作用。當(dāng)漿液在注漿壓力作用下沿破碎圍巖內(nèi)部裂隙逐漸向四周擴(kuò)散，由于圍巖內(nèi)部裂隙之間都是相互連通的，所以漿液充填凝固后，會(huì)形成由漿液組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充當(dāng)骨架支撐破碎的圍巖體[4]，使得圍巖又重新恢復(fù)到整體形態(tài)，圍巖強(qiáng)度得到明顯改善。具體注漿凝結(jié)體的骨架結(jié)構(gòu)見圖3.

圖3 注漿骨架作用示意圖

3 注漿加固技術(shù)

3.1 方案設(shè)計(jì)

1)注漿材料：11#煤帶式輸送機(jī)大巷注漿材料使用復(fù)合材料，復(fù)合材料及其比例為水∶(水泥+JCT-2復(fù)合劑)∶JCT-3固化劑=0.5∶(0.85+0.15)∶1.5.

2)注漿深度：根據(jù)11#煤帶式輸送機(jī)大巷過陷落柱、斷層段的具體情況，選擇頂孔、拱肩孔和幫孔的注漿深度均為3 m.

3)注漿壓力：根據(jù)使用復(fù)合材料的性能，結(jié)合巷道松軟破碎段圍巖的具體情況，為保障在加固松軟破碎巖體時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生注漿壓力過大，劈裂凝結(jié)體的現(xiàn)象，最終確定注漿壓力為2～4 MPa.

4)注漿孔布置：注漿鉆孔排距3 m，孔深3 m，巷道斷面上布置1個(gè)頂孔、2個(gè)拱肩孔和2個(gè)幫孔，頂孔垂直布置，拱肩孔與水平方向成50°布置，幫孔沿水平方向布置，具體注漿孔的布置位置見圖4.

圖4 11#煤帶式輸送機(jī)大巷松軟構(gòu)造段注漿孔布置圖

5)單孔注漿量：每米巷道的注漿量Q可用下式進(jìn)行估算[5]：

Q=ρλβηL·(2h+b)

(2)

式中：

λ—漿液損失系數(shù)，取1.2～1.5；

β—漿液充填系數(shù)，取0.6～1；

η—巷道或硐室圍巖裂隙率，取1%～5%；

L—鉆孔長度方向加固區(qū)厚度，m，取3.0；

h—矩形斷面巷道的高度或拱形斷面巷道的直墻高度，m，取1.5；

b—矩形斷面巷道的寬度或拱形斷面巷道的拱長，m，取6.6;

ρ—漿體密度，kg/m3.

根據(jù)11#煤帶式輸送機(jī)大巷松軟破碎圍巖的具體情況，取λ=1.4，β=0.6，η=3%，ρ=1 585 kg/m3，h=1.5 m，b=6.6 m，L=3.0 m.代入式(2)，能夠計(jì)算出每米巷道注漿量Q=1 150.3 kg，平均每3 m巷道布置5個(gè)注漿鉆孔，保障單孔注漿效果，漿液30%的富裕系數(shù)，注漿壓力在控制范圍內(nèi)時(shí)，單孔注入的漿液量最少為0.897 t.

3.2 注漿過程控制

巷道松軟破碎圍巖段注漿加固作業(yè)時(shí)，注漿的施工流程：打設(shè)鉆孔→安裝注漿花管→封孔→拌和漿液→開泵注漿→停泵卸壓→移至下一個(gè)鉆孔注漿。

11#煤帶式輸送機(jī)大巷在進(jìn)行注漿作業(yè)施工時(shí)分兩個(gè)循環(huán)完成，第一個(gè)循環(huán)布置注漿孔的排距為6 m，為保障漿液在巷道斷面內(nèi)均勻的分布，并減少注漿鉆孔的堵塞，在一循環(huán)注漿作業(yè)時(shí)，采用小分段前進(jìn)式的注漿方式，設(shè)置注漿小分段的長度為12 m.

小分段前進(jìn)式注漿的步驟如下：

1)進(jìn)行巷道左幫孔注漿作業(yè)，當(dāng)左幫孔的注漿長度達(dá)到12 m時(shí)，轉(zhuǎn)移鉆機(jī)及注漿設(shè)備到巷道右?guī)妥{長度12 m的開端位置。

2)鉆機(jī)及注漿設(shè)備轉(zhuǎn)移到巷道右?guī)?2 m開端位置后，依次進(jìn)行12 m范圍內(nèi)右?guī)妥{鉆孔的注漿作業(yè)。

3)當(dāng)巷道右?guī)?2 m范圍的注漿作業(yè)完成后，進(jìn)行12 m范圍內(nèi)頂孔的打孔注漿作業(yè)。

4)當(dāng)巷道12 m范圍內(nèi)的頂孔注漿作業(yè)完成后，依次進(jìn)行左拱肩孔和右拱肩孔12 m范圍的打孔注漿作業(yè)。

第一循環(huán)注漿孔布置位置、注漿流程，一循環(huán)二循環(huán)鉆孔全部打設(shè)完后的鉆孔布置形式見圖5.圖5a)中，巷道走向按照(1)→(2)→(3)→(4)→(5)的順序依次進(jìn)行打孔注漿作用，巷道斷面按照①→②→③→④→⑤的順序依次進(jìn)行打孔注漿作業(yè)。圖5b)中，一循環(huán)、二循環(huán)注漿孔呈五花布置，排距6 m.

圖5 小分段前進(jìn)式的注漿孔布置位置、施工流程示意圖

3.3 注漿效果分析

松軟破碎圍巖體內(nèi)注漿加固作業(yè)為隱蔽工程，在注漿結(jié)束后注漿效果不能直觀顯現(xiàn)，為分析該次松軟破碎圍巖的注漿加固效果，采用CXK12礦用鉆孔窺視儀在井下現(xiàn)場注漿區(qū)域鉆孔并進(jìn)行窺視分析，可清晰地觀察到注入凝結(jié)的漿體材料，驗(yàn)證了注漿加固效果。

在注漿區(qū)域巷道圍巖內(nèi)鉆孔并進(jìn)行窺視，共計(jì)窺視8個(gè)鉆孔，窺視鉆孔布置在距離注漿花管0.3 m和1.5 m的位置，每段注漿區(qū)域頂板和幫部各布置2個(gè)窺視鉆孔。鉆孔窺視結(jié)果見圖6.

圖6 注漿鉆孔窺視局部實(shí)際效果圖

由圖6可知，在圍巖0～0.15 m可明顯觀察到噴漿層和凝結(jié)固化呈現(xiàn)暗灰色的注漿材料；在0.15～2 m可清晰地看到破碎圍巖的裂隙內(nèi)充滿了凝結(jié)的注漿材料，破碎圍巖被有效地膠結(jié)在一起；在2～3 m鉆孔壁致密完整性較好，說明注漿材料在巷幫圍巖內(nèi)擴(kuò)散范圍較大，滲透均勻，達(dá)到了注漿方案預(yù)想的目的。另外，根據(jù)注漿后巷道圍巖變形量的現(xiàn)場觀測結(jié)果可知，注漿加固后60 d內(nèi)圍巖的頂?shù)装寮皟蓭偷淖畲笞冃瘟績H為15 mm，保障了圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

根據(jù)11#煤帶式輸送機(jī)大巷圍巖變形情況，通過分析注漿加固作用的原理，進(jìn)行松軟破碎圍巖注漿加固方案的設(shè)計(jì)，注漿加固后采用鉆孔窺視的方法驗(yàn)證了注漿加固效果，漿液有效加固了3 m范圍內(nèi)的破碎圍巖，保障了巷道松軟破碎圍巖的穩(wěn)定。