巷道群應力集中區圍巖綜合注漿加固技術研究

景剛剛

(山西煤炭進出口集團 蒲縣豹子溝煤業有限公司,山西 臨汾 041000)

我國煤礦每年井下新掘進的巷道達15 000 km之多[1-2],其中煤巷掘進總量約占五成。在整個煤巷掘進中,難免出現區域巷道布置較多、巷道間距較小等問題,巷道集中則會引起應力集中,從而導致巷道受力復雜、支護困難,給煤巷掘進、支護帶來新的難題[3-4]。李國剛[5]針對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度由原來的29 MPa提高至74 MPa；閆燕輝[6]針對回采巷道圍巖應力復雜情況采用注漿加固技術使兩幫及頂底板相對移近量僅為280 mm和198 mm。由于國內對近距離巷道群圍巖加固問題研究較少,本文以豹子溝煤礦3203高抽巷出煤聯巷為研究對象,從理論上分析了巷道變形破壞的影響因素,結合現有的研究成果提出綜合注漿加固方案并對現場效果檢驗[7-8],旨在為巷道分布較密受應力集中影響較大的巷道圍巖穩定性提供理論支撐和經驗借鑒。

1 工程概況

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

圖1 3203高抽巷出煤聯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)圍巖力學性質。3203高抽巷出煤聯巷所在煤層為3#煤層,盡管3#煤層煤樣所測的單軸抗壓強度平均為15.5 MPa,強度較大,但3#煤層內部弱面及其發育,煤體偏脆,自身承載能力較小,煤體整體強度較低。3203高抽巷出煤聯巷的直接頂板為灰黑色砂質泥巖,局部有泥巖夾層,平均厚度4.0 m,局部可見植物化石碎片,單軸抗壓強度平均為38.6 MPa；直接底板為泥巖,厚度2.0 m,單軸抗壓強度平均為34.3 MPa,抗水浸能力較差；同時巷道附近存在陷落柱、斷層?？傊?該區域巖體結構不完整、強度低及地質構造影響是導致巷道圍巖力學性質偏低的主要因素。

2)巷道距離較近導致應力集中。3203高抽巷出煤聯巷北有3203高抽巷,西有回抽聯巷,東有3203回風順槽,南有3203回順繞道。3203高抽巷出煤聯巷在中間,與其他巷道存在交叉,巷道間距較小。根據礦山巖體的原巖應力及其重新分布規律可知,圓孔在雙向等壓情況下應力分布規律,其影響半徑R一般為巷道半徑r的5倍[2]。結合現有理論可知，3203高抽巷出煤聯巷應在應力集中區域,致使巷道支護困難。

3)原有支護強度不夠。3203高抽巷出煤聯巷掘進時巷道支護采用錨網(索)支護,從目前支護效果來看,部分支護的錨網已失效,圍巖變形較大,原有支護強度不夠,不能滿足支護需求。

3 圍巖注漿加固應用研究

巷道圍巖控制技術主要包括棚式支架支護、錨桿(索)支護和注漿加固等。棚式支架支護可有效防止圍巖突然坍塌,但其為被動支護,無法施加圍巖主動的預應力;錨桿(索)支護雖然可以有效施加預緊力,使圍巖產生次生承載結構,但圍巖為破碎體時,錨桿(索)支護將會失效;注漿加固是有效解決破碎圍巖支護失效問題的有效途徑之一,漿液進入圍巖裂隙后,將破碎的圍巖凝結為一個整體,充分發揮圍巖自身的承載能力,同時為錨桿(索)提供足夠的錨固力,充分發揮錨桿(索)協同支護效力。

結合巷道圍巖地質條件和現有加固技術,提出3203高抽巷出煤聯巷綜合加固方案:巷道圍巖噴射混凝土→安爾特深孔注漿→預應力全長錨固注漿錨索加固。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是一種新型雙液無機注漿材料,主要成分為無機礦粉,具有快凝、早強、高滲透性、結石率高等性能,具有很強的可注性,凝結時間和強度具有很強的可控性。具體操作如下:先在3203高抽巷出煤聯巷幫、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,兩幫靠近頂底板的上仰或下扎15°或5°,其余垂直于兩幫,頂底板孔靠近兩幫的外扎15°,其余孔垂直于頂板底板;孔開口位置呈五花布置,排距2 000 mm,間距1 400或1 800 mm;注漿壓力不低于6 MPa,注漿孔布置圖見圖2。

3)注漿施工8 d后,采用SKP22-1/1860-4300型預應力全長錨固注漿錨索對幫部進行加強支護,錨索成排、矩形排列,間距2 500 mm,排距2 000 mm,錨索預緊力不小于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 現場工業性試驗

3203高抽巷出煤聯巷綜合注漿加固技術應用于現場,并對巷道圍巖變形進行監測。監測結果表明,注漿加固后巷道圍巖變形大幅度降低,頂底板相對移近量最大值為138 mm,兩幫相對移近量最大值為190 mm。同時對巷道圍巖結構進行窺視,窺視結果表明，巷道圍巖塑性區由未加固前3.0 m減少到1.5 m,窺視結果如圖3和圖4所示。巷道圍巖完整性得到很好提升,滿足了巷道的通風和生產需要。

5 結論

1)理論分析表明,巷道圍巖力學性質差、巷道圍巖應力集中,以及原始支護強度低是巷道失穩的主要原因。

2)通過支護方案比較,得出適合本地質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,加預應力全長錨固注漿錨索加固。

3)加固方案進行工業性試驗,結果表明:頂底板和兩幫相對移近量最大值分別為138 mm和190 mm,圍巖塑性區減少到1.5 m,保障了巷道正常使用。