范文生，王 眾

(1.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030024； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

隨著開(kāi)采強(qiáng)度和深度的增加，礦井地應(yīng)力水平增加，巷道掘進(jìn)后圍巖破碎程度愈發(fā)嚴(yán)重，尤其受到斷層和采動(dòng)應(yīng)力的影響，巷道的支護(hù)和保持長(zhǎng)期穩(wěn)定難度急劇增加[1,2]. 破碎頂板松散不具備自穩(wěn)能力，巷道開(kāi)挖后容易造成失穩(wěn)、冒頂?shù)仁鹿蔥3,4].

注漿技術(shù)應(yīng)用于煤礦破碎圍巖巷道維護(hù)，能夠有效控制圍巖變形，顯著改善支護(hù)效果，成為一種極具潛力的巷道圍巖控制技術(shù)[5,6]. 大量的工程實(shí)踐表明，高強(qiáng)度的錨索將破碎圍巖懸掛在深部穩(wěn)定巖層中，或者采用金屬支架來(lái)控制破碎頂板也能起到一定的控制作用[7]，但這種被動(dòng)支護(hù)方式并不能適應(yīng)破碎頂板的長(zhǎng)期大變形。注漿加固不但提高巖體的強(qiáng)度，而且還能提高錨桿本身的力學(xué)性能，改善普通錨桿的受力狀態(tài)，使錨桿工作特性適應(yīng)圍巖變形規(guī)律，錨桿能及時(shí)向圍巖提供支護(hù)阻力。錨桿和注漿共同作用可提高圍巖結(jié)構(gòu)的整體性及其力學(xué)性能。漿液在裂隙中充填，固結(jié)后封閉裂隙，阻止圍巖因風(fēng)化而強(qiáng)度降低[8]. 注漿作為一種主動(dòng)支護(hù)手段，注漿后將松散巖石膠結(jié)成整體，提高了巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，使巖體本身成為支護(hù)結(jié)構(gòu)，參與巷道變形與穩(wěn)定過(guò)程，控制圍巖變形效果良好。

以某礦6223-2工作面破碎頂板為工程背景，采用數(shù)值模擬方法分析注漿加固對(duì)破碎頂板的機(jī)理，提出注漿方案并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)證明注漿的有效性。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

某礦二層采用分層放頂煤開(kāi)采技術(shù)，分層間巷道采用重疊布置方式，上分層6223-1工作面已開(kāi)采完畢1年左右，下分層6223-2工作面正在回采，埋深約800 m，該工作面進(jìn)風(fēng)巷從施工巷口往西約200 m，由于采用木棚被動(dòng)支護(hù)，護(hù)頂效果差，頂煤破碎、冒落后，進(jìn)風(fēng)巷頂板為上分層冒落的矸石，巷道變形嚴(yán)重。在該范圍內(nèi)工作面有一斜穿正斷層F4，落差6～10 m. 為實(shí)現(xiàn)工作面安全高效開(kāi)采，對(duì)工作面破碎頂板和進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行注漿固化，見(jiàn)圖1.

圖1 6223-2工作面示意圖

用鉆孔窺視儀觀察6223-2工作面進(jìn)風(fēng)巷圍巖淺部煤體的破碎情況，見(jiàn)圖2. 由圖2可知，圍巖淺部的煤體非常破碎，裂隙發(fā)育，大量的環(huán)向裂隙和軸向裂隙交錯(cuò)縱橫，部分地方還出現(xiàn)了塌孔、空洞的現(xiàn)象，對(duì)進(jìn)風(fēng)巷的穩(wěn)定有很大影響。通過(guò)注漿可以充填塌孔、空洞，有效地膠結(jié)破碎煤體，改善圍巖結(jié)構(gòu)，提高圍巖的整體性和力學(xué)參數(shù)。

圖2 進(jìn)風(fēng)巷淺部圍巖煤體破碎情況圖

2 注漿加固控制巷道圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 注漿對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響

建立UDEC數(shù)值模型，數(shù)值模擬中主要是改變煤體周圍的力學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)注漿后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)改變。為了更加真實(shí)的模擬變化情況，在實(shí)驗(yàn)室做注漿固結(jié)體的實(shí)驗(yàn)，以確定注漿后煤巖體力學(xué)參數(shù)的提高量。這里僅考慮煤體的力學(xué)參數(shù)變化，即僅作煤體在加固后的實(shí)驗(yàn)，加固前后煤體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1. 分析注漿前后巷道圍巖應(yīng)力分布特征，見(jiàn)圖3. 由圖3可知，注漿改善了進(jìn)風(fēng)巷圍巖周圍的應(yīng)力狀況，注漿前斷層附近應(yīng)力最大為45 MPa，靠近斷層側(cè)巷幫的應(yīng)力降低區(qū)寬度為4 m，頂板和右?guī)图s為2 m，底板為4 m. 注漿后斷層附近應(yīng)力降低為4 MPa，靠近斷層側(cè)巷幫的應(yīng)力降低區(qū)寬度為2.5 m，頂板和右?guī)图s為2.4 m，底板為2.2 m. 注漿提高煤體強(qiáng)度使巷道周圍巖體由原來(lái)的低應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邞?yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力降低區(qū)明顯減小，尤其是在斷層附近，應(yīng)力峰值降低11%.可見(jiàn)，注漿加固可以提高斷層附近處進(jìn)風(fēng)巷圍巖的承載能力，抑制進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形的后續(xù)變形和破壞，增強(qiáng)進(jìn)風(fēng)巷的圍巖穩(wěn)定性。

表1 注漿前后煤體力學(xué)參數(shù)表

2.2 注漿對(duì)圍巖塑性區(qū)分布的影響

注漿加固前后進(jìn)風(fēng)巷塑性區(qū)分布特征見(jiàn)圖4. 由圖4可知，注漿后進(jìn)風(fēng)巷圍巖的塑性區(qū)分布發(fā)生了明顯的變化，左幫和頂板的肩角處塑性區(qū)從9 m減小到2 m，巷道靠近斷層側(cè)左幫的變形量由1 000 mm降低到400 mm，效果明顯。對(duì)于6223-2工作面進(jìn)風(fēng)巷來(lái)說(shuō)，注漿加固參與圍巖的變形與穩(wěn)定過(guò)程主要起兩個(gè)作用：直接加固巖體形成承載能力，抑制圍巖破壞區(qū)的后續(xù)發(fā)展。

3 注漿加固技術(shù)參數(shù)

1) 滯后注漿時(shí)間。

注漿主要是低圍壓條件下宏觀裂隙內(nèi)的滲透注漿，滲透系數(shù)隨巷道開(kāi)挖處于變動(dòng)之中，主要受裂隙張開(kāi)度和密度控制，并在某一時(shí)刻達(dá)到最大限度，因而存在一個(gè)有利于注漿的時(shí)機(jī)，6223-2工作面進(jìn)風(fēng)巷在掘進(jìn)時(shí)巷道變形量已經(jīng)很大，當(dāng)圍巖變形趨于穩(wěn)定時(shí)，裂隙的發(fā)育也基本停止，圍巖內(nèi)部的結(jié)構(gòu)基本不再有大的變化，這時(shí)注漿漿液能夠充分滲透到宏觀裂隙區(qū)，在時(shí)間上和空間上都較為有利。根據(jù)某礦的礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)后60天左右圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定，所以滯后注漿時(shí)間確定為滯后掘進(jìn)迎頭60天。

圖4 注漿前后進(jìn)風(fēng)巷塑性區(qū)分布圖

2) 注漿孔深度。

圍巖松動(dòng)圈的最大半徑R按修正的芬納公式計(jì)算[9]:

(1)

式中：

P—巷道所受地應(yīng)力，MPa；

φ—內(nèi)摩擦角，(°)；

C—巖石的黏結(jié)力，MPa；

r—主巷碹拱半徑，m；

Ps—支護(hù)反力，MPa，注漿時(shí)取0.

不考慮支護(hù)反力，可以最大程度地評(píng)估巷道的松動(dòng)圈半徑，在選取注漿孔深度時(shí)保留有足夠的富余系數(shù)，確保注漿能夠大范圍地加固破碎圍巖。

根據(jù)試驗(yàn)巷道的參數(shù)，在計(jì)算時(shí)巷道按無(wú)支護(hù)的情況來(lái)處理，也就是Ps=0.6223-2工作面煤層巷道埋深800 m，壓力P=20 MPa，內(nèi)摩擦角φ為24°，黏結(jié)力C=1 MPa，巷道半徑取2 m，則計(jì)算出R=2.9 m. 因此，取注漿鉆孔的深度為3 m.

3) 注漿壓力。

巖體有明顯的裂隙時(shí)，注漿壓力一般不超過(guò)2 MPa，圍巖裂隙發(fā)育嚴(yán)重破碎時(shí)一般不超過(guò)1 MPa，裂隙開(kāi)度較小時(shí)可采用1～2 MPa. 由于6223-2工作面進(jìn)風(fēng)巷的煤體較破碎，注漿壓力不宜過(guò)大，同時(shí)，壓力過(guò)小漿液難以保障擴(kuò)散效果，因此確定注漿壓力為1～2 MPa.

根據(jù)文獻(xiàn)[10]給出的漿液擴(kuò)散半徑計(jì)算公式可知，當(dāng)注漿壓力為0.5 MPa時(shí)，擴(kuò)散半徑為0.53 m；當(dāng)注漿壓力為1～2 MPa時(shí)，擴(kuò)散半徑為1.06～2.12 m.

4) 注漿管。

采用DN15鋼管制作，注漿管長(zhǎng)2 000 mm，內(nèi)徑10 mm，壁厚2.5 mm，端頭加工30 mm外螺紋，注漿管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5.

圖5 注漿管加工示意圖

5) 注漿工藝。

制漿地點(diǎn)在6223-2工作面施工巷內(nèi)，制漿時(shí)加甲料與甲料混合形成甲料漿，加乙料與乙料混合形成乙料漿，需要分別加水?dāng)嚢栎斔?，?223-2工作面施工巷進(jìn)行混合，到達(dá)注漿孔位置后進(jìn)行注漿。甲料和加甲料以質(zhì)量比10∶1按照1.5∶1的水灰比加水混合攪拌后形成甲料漿液。乙料和加乙料以質(zhì)量比10∶1按照1.5∶1的水灰比加水混合攪拌后形成乙料漿液。為防止?jié){液在攪拌、運(yùn)輸過(guò)程中凝結(jié)、堵塞管路和充填泵等設(shè)備，需分別攪拌和泵送甲料漿、乙料漿。在注漿孔位置進(jìn)行混合，高水材料在使用過(guò)程中要求甲料漿和乙料漿必須等量進(jìn)漿、混合均勻，其強(qiáng)度才能達(dá)到最大。因此，漿液輸送應(yīng)采用雙液等量注漿泵。

采用馬麗散封孔。封孔長(zhǎng)度1.0 m. 封孔20 min后，即可進(jìn)行注漿。為了防止串漿，采用間隔打孔、間隔注漿，注漿時(shí)間控制在10 min左右。每班注漿完成后需對(duì)注漿管進(jìn)行清洗，防止注漿管路堵塞，清洗時(shí)直到管路最末端出清水，清洗結(jié)束。

6) 進(jìn)風(fēng)巷注漿孔布置參數(shù)。

鉆孔用綜合扇形布置方式，在進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)每隔5 m設(shè)計(jì)兩組綜合布置方式的扇形鉆孔，間隔布置。第一組扇形鉆孔從進(jìn)風(fēng)巷離頂板1 m向工作面內(nèi)頂煤上方水平距離5 m、25 m、30 m依次布置3個(gè)鉆孔進(jìn)行注漿，①號(hào)孔和②號(hào)孔布置在一個(gè)斷面上，③號(hào)孔距①②號(hào)孔0.3 m；第二組扇形孔從回風(fēng)巷離頂板1 m向工作面內(nèi)頂煤上方水平距離15 m、35 m、40 m依次布置3個(gè)鉆孔進(jìn)行注漿，①號(hào)孔和②號(hào)孔布置在一個(gè)斷面上，③號(hào)孔距①②號(hào)孔0.3 m；兩組孔間距為3 m，見(jiàn)圖6.

圖6 進(jìn)風(fēng)巷鉆孔布置示意圖

4 工業(yè)性試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行注漿后，進(jìn)風(fēng)巷淺部圍巖破碎的煤體得到了有效加固，原來(lái)較發(fā)育的裂隙都由高水材料充填，提高了煤巖體的強(qiáng)度。說(shuō)明設(shè)計(jì)的注漿孔深和布置方式是基本符合進(jìn)風(fēng)巷具體條件的，保證了進(jìn)風(fēng)巷圍巖淺部裂隙的加固，形成了承載結(jié)構(gòu)，改變了錨桿的受力環(huán)境，保證了工作面在回采時(shí)進(jìn)風(fēng)巷滿足正常的生產(chǎn)需求。

6223-2工作面回采期間注漿段進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形曲線見(jiàn)圖7. 由圖7可知，在工作面前方40 m進(jìn)風(fēng)巷受采動(dòng)影響，隨著與工作面距離越近，采動(dòng)影響越劇烈，在工作面附近，進(jìn)風(fēng)巷回采期間頂?shù)装逑鄬?duì)移近總量約497 mm、兩幫相對(duì)移近總量約650 mm. 采用注漿加固和錨桿支護(hù)效果顯著，提高了圍巖自身承載能力，巷道變形量顯著減小，減小了巷道超前維護(hù)難度，減少了巷道返修量，巷道斷面能夠滿足生產(chǎn)要求。

圖7 6223-2工作面進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形曲線圖

5 結(jié) 論

1) 根據(jù)6223-2工作面頂板及進(jìn)風(fēng)巷圍巖破碎的特點(diǎn)，注漿后前斷層附近應(yīng)力最大由45 MPa降低為40 MPa，應(yīng)力峰值降低11%. 靠近斷層側(cè)巷幫降低區(qū)寬度由4 m降低為2.5 m. 注漿能夠有效提高巷道圍巖穩(wěn)定性。

2) 采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法確定了進(jìn)風(fēng)巷合理的注漿時(shí)間為滯后迎頭60天,注漿孔深度3 m,注漿壓力1～2 MPa, 注漿孔扇形布置。

3) 工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明：在工作面前方影響范圍為40 m，回采期間頂?shù)装逑鄬?duì)移近總量約497 mm、兩幫相對(duì)移近總量約650 mm，采用注漿加固和錨桿支護(hù)效果顯著，工作面頂板基本沒(méi)有發(fā)生冒頂，達(dá)到了注漿的預(yù)期效果。