5113巷斷層處加固方案可行性研究

郭文舉

（大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000）

對斷層帶的加強(qiáng)支護(hù)從開始的錨桿、錨索加密支護(hù)到鋼拱架的硬性支護(hù)，雖然取得了一定效果，但有時仍無法達(dá)到巷道正常標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。李木宣等提出大斷面煤巷過斷層組超前預(yù)注漿加固應(yīng)用[4]；榮向東等，提出了“四高”錨桿強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)、預(yù)應(yīng)力長錨索加固破碎頂板技術(shù)和高幫錨索梁加固技術(shù)為主的巷道圍巖控制技術(shù)[5]。針對斷層處巷道加強(qiáng)支護(hù)的效果進(jìn)行分析，目前注漿方案對于斷層的治理取得了良好的效果。

1 概況

鐵峰公司增子坊礦5113巷受到相鄰8111工作面采動影響，5113巷620～710m的斷層風(fēng)氧化帶處，巷道壓力顯現(xiàn)特別大，致使巷道擠壓變形嚴(yán)重。本文針對現(xiàn)場情況提出應(yīng)用水泥混合漿（水泥、水玻璃）充填法對斷層處進(jìn)行加固，通過應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對巷道原支護(hù)方案和“高預(yù)拉力、高剛度、高強(qiáng)度錨桿支護(hù)方案”以及混合漿填充方案進(jìn)行對比分析，確定此條件下混合漿填充方案能夠取得良好的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果。

2 注漿加固方案分析

根據(jù)現(xiàn)場巷道分析，需要進(jìn)行加固的巷道巖體比較發(fā)育，巷道開掘后圍巖處于塑性區(qū)并不斷向外延伸，跟隨巷道掘進(jìn)，巷道發(fā)生了較大的變形，造成原來支護(hù)承載力不夠。所以，為了實(shí)現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定，采用低壓淺孔和高壓深孔共同注漿的方案。

低壓淺孔注漿是指在圍巖噴漿后，利用淺孔和低壓對巖體極破碎的區(qū)域進(jìn)行加固。因?qū)\部圍巖實(shí)施注漿加固的過程中，為了保證已經(jīng)噴漿和已經(jīng)掛網(wǎng)區(qū)域不發(fā)生變形，必須對注漿過程的壓力進(jìn)行嚴(yán)格控制。由于淺部巖體裂隙較多，所以采用水泥、水玻璃混合漿液。

深孔注漿是指在原來支護(hù)的情況下進(jìn)行深部加固，可以使?jié){液繼續(xù)向巖體深部擴(kuò)散，高壓注漿能夠很大程度上提高滲透能力，對控制巷道塑性區(qū)擴(kuò)散起到關(guān)鍵性作用。

3 注漿加固工藝

3.1 注漿孔布置

低壓淺孔注漿孔：①兩幫間排距0.85×1.2m，幫部底鉆孔傾斜30°，頂部鉆孔傾斜5°，其他位置必須與巷道斷面垂直；②頂拱間排距1.0×1.2m，在巷道角部鉆孔傾斜15°，其他位置鉆孔必須與巷道斷面垂直，鉆孔位置呈現(xiàn)三花或者五花，保證在10m3內(nèi)鉆孔13個，采用風(fēng)鉆進(jìn)行鉆眼，孔深不小于2m，風(fēng)鉆Φ45mm。

高壓深孔注漿孔：①采用Φ42mm的巷幫鉆機(jī)進(jìn)行施工，其中下排鉆孔垂直煤壁進(jìn)行施工，鉆孔長度為3m，相鄰鉆孔間距為6m；上排鉆孔施工仰角為10°，鉆孔長度為3m，相鄰鉆孔間距為6m，頂板距離煤柱幫距離300mm位置，布置一排頂板注漿鉆孔，鉆孔深度4m，傾角40°。②注漿孔布置兩排，頂板距離上排注漿孔1.2m，兩排注漿孔垂直距離1.2m，下排注漿孔距離底板1.2m。沿著巷道推進(jìn)方向呈三花布置，單排注漿孔間距6.0m。

3.2 注漿材料

（1）淺孔注漿：水玻璃：水泥=0.6：1，速凝劑含量為水泥質(zhì)量的0.5～1%。漿液結(jié)石率最低為96%，壓強(qiáng)不小于20MPa。

（2）深孔注漿采用高強(qiáng)度水泥混合漿液，水：灰=0.7：1，速凝劑含量為水泥質(zhì)量的0.5～1%，結(jié)石率最低為95%，強(qiáng)度與淺孔要求一致。

3.3 注漿工藝

注漿后使用速凝劑進(jìn)行分段封孔，注漿管進(jìn)入巖體2m范圍內(nèi)進(jìn)行封堵，封堵長度為0.5m左右，在孔口封堵時，封堵長度為0.2m。

開始進(jìn)行淺孔低壓注漿，壓力必須進(jìn)行嚴(yán)格控制，其壓力范圍為2.0～3.0MPa，既保證了漿液正常擴(kuò)散，又不會破壞原來的支護(hù)。注漿擴(kuò)散半徑控制在3.0m左右，每米巷道注漿量控制為5.0t，初期支護(hù)完成后需要圍巖進(jìn)行應(yīng)力釋放，釋放后再進(jìn)行注漿，注漿時允許巷道發(fā)生較小變形。

對于深孔注漿壓力應(yīng)該控制在5MPa左右，擴(kuò)散半徑控制在5m范圍左右，詳細(xì)擴(kuò)散半徑必須經(jīng)過專業(yè)松動圈測試后決定，深孔注漿時間一般在淺孔注漿完成后1周左右，防止巷道塑性區(qū)發(fā)生擴(kuò)張，巷道注漿量7.5t/m。

3.4 施工工藝

在施工過程中采用自下而上、從左到右順序作業(yè)；每段面內(nèi)注漿錨桿和注漿短管均采用自下而上，先底角，再兩幫，最后是頂角。

（1）首先按設(shè)計鉆孔位置、參數(shù)和規(guī)定的施工順序打注漿孔。

（2）注漿系統(tǒng)試運(yùn)轉(zhuǎn)并確認(rèn)正常后，配料工將水和水泥（水玻璃）按比例加入攪拌桶，不停攪拌。

（3）將注漿管路與孔口管連接，開泵開始注漿；待注漿壓力或注漿量達(dá)到設(shè)計結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)閉壓風(fēng)停泵，結(jié)束單孔注漿；拆除孔口注漿管，順序施工其余鉆孔，直至每班或區(qū)域注漿施工結(jié)束。

（4）在攪拌機(jī)中加入清水，開啟注漿泵進(jìn)行洗泵，至注漿管出漿為清水時停止。

4 方案分析

4.1 原支護(hù)方案

5113巷頂板采用Φ16×1800mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（排距900mm，間距750mm），兩幫采用Φ20×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（排距900mm），5113巷頂板采用4700mm錨桿W鋼帶，規(guī)格：長×寬×厚=4700×300×5mm，5113巷頂板采用單錨索五花布置，兩幫采用3000mm錨桿W鋼帶，規(guī)格：長×寬×厚=3000×300×5mm。

4.2 高應(yīng)力錨桿方案

與原巷道支護(hù)方式一致，將原先錨桿參數(shù)改為Φ20×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。

5 數(shù)值模擬分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄，巷道設(shè)計斷面面積為10.5m2，動壓來臨一周后巷道斷面面積迅速變成了2m2。所以，依據(jù)地質(zhì)部門對現(xiàn)場勘查的地質(zhì)資料對巷道所處地層進(jìn)行等比例數(shù)值模擬，巷道寬×高為5.7m×4.4m，考慮巷道影響范圍一般為2～5倍以上，故模型寬50m，高50m，長度方向取80m，模型總共211040個實(shí)體單元，219348個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，具體模型如圖1所示。

圖1 模型圖

將上述注漿方案與巷道原支護(hù)方案和“高預(yù)拉力、高剛度、高強(qiáng)度錨桿支護(hù)”方案進(jìn)行數(shù)值模擬，在巷道發(fā)生明顯位移時與注漿方案進(jìn)行對比，由于原支護(hù)方案和高應(yīng)力錨桿支護(hù)方案位移變化比較相似，故僅列出高應(yīng)力錨索支護(hù)的位移圖，為了方便觀察巷道變形，對云圖進(jìn)行處理，如下圖2所示。對巷道變形后斷面面積進(jìn)行計算，得到三種支護(hù)方案在動壓來臨一周內(nèi)斷面面積變化，繪制圖3。

圖2 水平位移圖

從圖中可以看到：

（1）巷道掘進(jìn)過程中，原支護(hù)方案斷面面積變化最大，從10.2m2變?yōu)?m2。

（2）注漿方案和高強(qiáng)度錨桿方案斷面面積基本是一致的，但是動壓來臨后高應(yīng)力錨桿支護(hù)產(chǎn)生了較大變形，巷道斷面面積急劇減小，從10.18m2變?yōu)?m2，而注漿方案的斷面面積沒有發(fā)生明顯的變化。

圖3 斷面面積變化圖

6 結(jié)論

（1）高預(yù)拉力、高剛度、高強(qiáng)度錨桿支護(hù)方案和注漿方案在掘巷期間對于巷道的支護(hù)效果基本一致，對于未受動壓影響的巷道，采用加強(qiáng)錨桿支護(hù)能夠達(dá)到巷道正常運(yùn)營要求。

（2）通過數(shù)值模擬方法對該地質(zhì)條件下的三種方案對比，可以得出注漿方案能夠較好地滿足斷層處受動壓影響下的安全要求。