巷道群應(yīng)力集中區(qū)圍巖綜合注漿加固技術(shù)研究

景剛剛

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041000)

我國(guó)煤礦每年井下新掘進(jìn)的巷道達(dá)15 000 km之多[1-2],其中煤巷掘進(jìn)總量約占五成。在整個(gè)煤巷掘進(jìn)中,難免出現(xiàn)區(qū)域巷道布置較多、巷道間距較小等問(wèn)題,巷道集中則會(huì)引起應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致巷道受力復(fù)雜、支護(hù)困難,給煤巷掘進(jìn)、支護(hù)帶來(lái)新的難題[3-4]。李國(guó)剛[5]針對(duì)大同小峪煤礦斷層帶破碎頂板采用注漿加固使巖體單軸抗壓強(qiáng)度由原來(lái)的29 MPa提高至74 MPa；閆燕輝[6]針對(duì)回采巷道圍巖應(yīng)力復(fù)雜情況采用注漿加固技術(shù)使兩幫及頂?shù)装逑鄬?duì)移近量?jī)H為280 mm和198 mm。由于國(guó)內(nèi)對(duì)近距離巷道群圍巖加固問(wèn)題研究較少,本文以豹子溝煤礦3203高抽巷出煤聯(lián)巷為研究對(duì)象,從理論上分析了巷道變形破壞的影響因素,結(jié)合現(xiàn)有的研究成果提出綜合注漿加固方案并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)效果檢驗(yàn)[7-8],旨在為巷道分布較密受應(yīng)力集中影響較大的巷道圍巖穩(wěn)定性提供理論支撐和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

豹子溝煤礦3203工作面高抽巷出煤聯(lián)巷與高抽巷回風(fēng)聯(lián)巷、高抽巷相交,與3203回風(fēng)順槽相鄰,相對(duì)位置如圖1所示。3203高抽巷出煤聯(lián)巷北端位于3203高抽巷與回抽聯(lián)巷交叉口處,南端位于3203回順繞道拐彎處,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為43.7 m,方位角為213°53′56″,巷道從北端沿煤層頂板開(kāi)口并沿頂掘進(jìn)20 m后,再以6°2′56″掘進(jìn)23.7 m后與3203回順繞道貫通。3203高抽巷出煤聯(lián)巷與3203回風(fēng)順槽之間凈煤柱尺寸為6～16 m。

圖1 3203高抽巷出煤聯(lián)巷及相鄰巷道布置示意圖Fig.1 Layout of high drainage roadways and adjacent roadways

2 巷道圍巖變形影響因素

1)圍巖力學(xué)性質(zhì)。3203高抽巷出煤聯(lián)巷所在煤層為3#煤層,盡管3#煤層煤樣所測(cè)的單軸抗壓強(qiáng)度平均為15.5 MPa,強(qiáng)度較大,但3#煤層內(nèi)部弱面及其發(fā)育,煤體偏脆,自身承載能力較小,煤體整體強(qiáng)度較低。3203高抽巷出煤聯(lián)巷的直接頂板為灰黑色砂質(zhì)泥巖,局部有泥巖夾層,平均厚度4.0 m,局部可見(jiàn)植物化石碎片,單軸抗壓強(qiáng)度平均為38.6 MPa；直接底板為泥巖,厚度2.0 m,單軸抗壓強(qiáng)度平均為34.3 MPa,抗水浸能力較差；同時(shí)巷道附近存在陷落柱、斷層。總之,該區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)不完整、強(qiáng)度低及地質(zhì)構(gòu)造影響是導(dǎo)致巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)偏低的主要因素。

2)巷道距離較近導(dǎo)致應(yīng)力集中。3203高抽巷出煤聯(lián)巷北有3203高抽巷,西有回抽聯(lián)巷,東有3203回風(fēng)順槽,南有3203回順繞道。3203高抽巷出煤聯(lián)巷在中間,與其他巷道存在交叉,巷道間距較小。根據(jù)礦山巖體的原巖應(yīng)力及其重新分布規(guī)律可知,圓孔在雙向等壓情況下應(yīng)力分布規(guī)律,其影響半徑R一般為巷道半徑r的5倍[2]。結(jié)合現(xiàn)有理論可知，3203高抽巷出煤聯(lián)巷應(yīng)在應(yīng)力集中區(qū)域,致使巷道支護(hù)困難。

3)原有支護(hù)強(qiáng)度不夠。3203高抽巷出煤聯(lián)巷掘進(jìn)時(shí)巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)(索)支護(hù),從目前支護(hù)效果來(lái)看,部分支護(hù)的錨網(wǎng)已失效,圍巖變形較大,原有支護(hù)強(qiáng)度不夠,不能滿足支護(hù)需求。

3 圍巖注漿加固應(yīng)用研究

巷道圍巖控制技術(shù)主要包括棚式支架支護(hù)、錨桿(索)支護(hù)和注漿加固等。棚式支架支護(hù)可有效防止圍巖突然坍塌,但其為被動(dòng)支護(hù),無(wú)法施加圍巖主動(dòng)的預(yù)應(yīng)力;錨桿(索)支護(hù)雖然可以有效施加預(yù)緊力,使圍巖產(chǎn)生次生承載結(jié)構(gòu),但圍巖為破碎體時(shí),錨桿(索)支護(hù)將會(huì)失效;注漿加固是有效解決破碎圍巖支護(hù)失效問(wèn)題的有效途徑之一,漿液進(jìn)入圍巖裂隙后,將破碎的圍巖凝結(jié)為一個(gè)整體,充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力,同時(shí)為錨桿(索)提供足夠的錨固力,充分發(fā)揮錨桿(索)協(xié)同支護(hù)效力。

結(jié)合巷道圍巖地質(zhì)條件和現(xiàn)有加固技術(shù),提出3203高抽巷出煤聯(lián)巷綜合加固方案:巷道圍巖噴射混凝土→安爾特深孔注漿→預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固注漿錨索加固。具體施工工藝如下。

1)巷道圍巖表面加固。采用C25混凝土噴射巷道圍巖表面,噴射厚度不低于100 mm,全覆蓋巷道頂、底板以及兩幫。

2)幫、頂板水泥深孔注入安爾特漿液。安爾特加固材料AEF-J是一種新型雙液無(wú)機(jī)注漿材料,主要成分為無(wú)機(jī)礦粉,具有快凝、早強(qiáng)、高滲透性、結(jié)石率高等性能,具有很強(qiáng)的可注性,凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度具有很強(qiáng)的可控性。具體操作如下:先在3203高抽巷出煤聯(lián)巷幫、頂部施工注漿孔,孔深為4.0 m,封孔深度3.0 m,打孔直徑兩幫Φ44 mm,頂板Φ42 mm;孔的角度,兩幫靠近頂?shù)装宓纳涎龌蛳略?5°或5°,其余垂直于兩幫,頂?shù)装蹇卓拷鼉蓭偷耐庠?5°,其余孔垂直于頂板底板;孔開(kāi)口位置呈五花布置,排距2 000 mm,間距1 400或1 800 mm;注漿壓力不低于6 MPa,注漿孔布置圖見(jiàn)圖2。

3)注漿施工8 d后,采用SKP22-1/1860-4300型預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固注漿錨索對(duì)幫部進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),錨索成排、矩形排列,間距2 500 mm,排距2 000 mm,錨索預(yù)緊力不小于150 kN,注漿材料為水泥漿,注漿壓力不小于2 MPa。

圖2 注漿鉆孔布置圖Fig.2 Layout of grouting boreholes

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

3203高抽巷出煤聯(lián)巷綜合注漿加固技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng),并對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,注漿加固后巷道圍巖變形大幅度降低,頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大值為138 mm,兩幫相對(duì)移近量最大值為190 mm。同時(shí)對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行窺視,窺視結(jié)果表明，巷道圍巖塑性區(qū)由未加固前3.0 m減少到1.5 m,窺視結(jié)果如圖3和圖4所示。巷道圍巖完整性得到很好提升,滿足了巷道的通風(fēng)和生產(chǎn)需要。

5 結(jié)論

1)理論分析表明,巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)差、巷道圍巖應(yīng)力集中,以及原始支護(hù)強(qiáng)度低是巷道失穩(wěn)的主要原因。

2)通過(guò)支護(hù)方案比較,得出適合本地質(zhì)條件的圍巖加固方案,即巷道圍巖噴射混凝土,加安爾特深孔注漿,加預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固注漿錨索加固。

3)加固方案進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn),結(jié)果表明:頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為138 mm和190 mm,圍巖塑性區(qū)減少到1.5 m,保障了巷道正常使用。