古書院礦軟弱煤巖失控巷道綜合加固技術研究

鄭劍飛

(晉城煤業(yè)集團 晟泰公司， 山西 晉城 048000)

山西晉煤集團古書院礦開采15#煤層，煤層頂板為較堅硬的石灰?guī)r，底板為較松軟的泥巖，同時兩幫煤體松軟且中間存在夾層。在該地質條件下，巷道受采動影響，特別是受動壓影響時，容易出現圍巖失控現象，造成巷道圍巖大變形，嚴重影響了礦井的安全生產。由于該類巷道為軟巖巷道，兩幫軟化的煤巖體給鉆孔施工帶來困難，傳統(tǒng)的補打錨桿、錨索等支護方式很難有效控制巷道變形[1-2]. 而注漿加固技術利用液化注漿材料注入軟弱破碎圍巖體內，漿液固結后能有效將軟弱破碎圍巖重新膠結[3]，形成一定的承載能力后控制圍巖變形，同時也為配合其他支護方式提供良好的施工條件[4-5]. 為解決古書院礦軟弱煤巖巷道在動壓影響下頂板斷裂、底鼓等大變形失控問題，分析了該礦軟弱煤巖失控巷道圍巖破壞機理，采取注漿加固與錨桿錨索聯(lián)合支護的方式，對其圍巖變形進行控制。

1 工程概況

古書院礦1523101巷為早期掘進巷道，巷道兩側分別為鳳凰山礦151307工作面和古書院礦152310工作面，目前這兩個工作面均未回采，巷道兩側均為實體煤，巷道上方為鳳凰山礦92312工作面采空區(qū)。在巷道掘進1 000 m后開始出現巷道底鼓/兩幫變形和頂板斷裂等大變形特征，巷道底鼓量達1 600 mm，兩幫移近量達1 400 mm，頂板靠右?guī)蛡纫呀洺霈F10～20 mm的縱向裂痕，嚴重影響了巷道的安全使用。同時，由于該巷作為152301工作面膠帶進風、運輸順槽，服務年限較長，因此有必要對其圍巖破壞機理進行分析，采取有效的加固措施進行圍巖控制，減少對該礦安全生產的威脅。巷道平面布置圖見圖1.

圖1 巷道平面布置圖

2 圍巖破壞機理分析及加固方案選擇

2.1 圍巖破壞機理分析

在地下巖土工程中，造成巷道失穩(wěn)破壞的根本原因是圍巖的高應力賦存環(huán)境[6]，但同時也與圍巖的物理力學性質和施工因素有很大關系[7]. 其中，巷道煤巖體內斷層、節(jié)理與裂隙等地質構造的存在將會降低圍巖的承載能力；地下水和溫度等工程環(huán)境也在一定程度上改變著圍巖的力學性質；在掘進過程中巷道類型、斷面設計、支護方式及參數等也會對圍巖應力分布造成影響，影響巷道穩(wěn)定[8-9]. 因此，為分析1523101巷圍巖破壞機理，對該巷所處的圍巖環(huán)境進行了分析。通過現場地質調查發(fā)現：

1) 該巷道底板為吸水性很強的泥巖，在水環(huán)境的作用下圍巖強度降低，從而降低了底板的穩(wěn)定性；兩幫煤巖體極為松軟，且含有夾層，使得該巷道在受地應力的影響時容易造成巷道底鼓、兩幫變形。

2) 該區(qū)域受鳳凰山礦F45逆斷層(H=6.0 m，∠25°)及褶曲構造影響，15#煤層局部起伏較大，使得部分巷道出現頂板破碎、煤厚傾角變化較大等現象。

3) 對該礦15#煤盤區(qū)進行了3個測點的地應力測試，其中最大水平應力為9.45 MPa、最小水平應力為7.11 MPa，3個測站的側壓系數σH/σV均大于1，以水平應力為主，屬于構造應力場類型。

綜合以上分析可以看出，該巷道圍巖的吸水軟化特性、斷層構造以及高水平應力等因素的共同作用是造成軟弱圍巖發(fā)生大變形的主要原因。在施工過程中，支護時機和支護方式及參數選擇的不合理也是造成巷道失控的因素。同時，由于圍巖較為破碎，難以為錨桿、錨索等提供有效載體，也是巷道發(fā)生持續(xù)變形、破壞的原因。

2.2 加固方案選擇

由于該巷道為軟巖破碎巷道，傳統(tǒng)、單一的支護方式很難對其圍巖變形進行控制，需對圍巖進行聯(lián)合支護。由前期注漿錨桿支護施工反饋，由于巷道兩幫煤巖體較為松軟破碎，現場施工成孔困難，塌孔嚴重。可見，圍巖松軟破碎是造成巷道無法進行常規(guī)支護的主要原因，掌握圍巖破碎現狀、提高圍巖的整體性及圍巖的承載能力是進行其他支護的基礎和前提條件。而注漿加固通過固結破碎圍巖，提高圍巖的內聚力和摩擦角，能較好地解決圍巖破碎問題，使煤巖體成為具備一定承載能力的整體。因此，選擇采用注漿加固和高強錨桿、錨索支護的綜合加固方案。

3 綜合加固方案

根據現場圍巖條件，對古書院礦1523101巷先進行起底、刷幫修復，達到設計斷面尺寸。根據圍巖破壞機理分析可知，巷道部分區(qū)域的頂板受到斷層等構造的影響，但破碎程度較小，對其頂板僅采用錨桿錨索進行支護即可達到有效支護。而對于巷道兩幫，由于圍巖受水平應力影響變形量較大，破碎嚴重，需先對兩幫進行注漿加固，提高圍巖承載能力，為之后的錨桿錨索支護提供有效載體，控制巷道圍巖變形。具體加固順序為頂板錨桿錨索支護、兩幫注漿→兩幫錨桿、錨索支護。

3.1 頂板支護

1) 在頂板裂縫兩側打設錨索進行支護，根據現場裂縫寬度和原有支護參數，確定錨索支護的間排距為1 000 mm×3 000 mm，均垂直頂板巖層打設。2) 采用SKP22-1/1860-6300型高強度低松弛鋼絞線錨索，錨索d22 mm、長度6 300 mm、端部設有樹脂錨固劑攪拌頭。3) 錨索加長預應力錨固，即采用一支MSK2335和兩支MSZ2360樹脂錨固劑錨固。4) 鉆孔d28 mm，錨固長度1 486 mm，預緊力≥250 kN，其頂板支護布置圖見圖2.

圖2 頂板支護布置圖

3.2 兩幫注漿加固

3.2.1注漿加固材料

注漿材料是注漿加固的核心，決定了注漿加固的質量，因此，在注漿加固前應對注漿材料進行合理選擇[10]. 由于有機材料成本高、存在火災隱患以及污染環(huán)境，該次注漿材料選用無機注漿材料。聯(lián)邦加固Ⅱ號是晉煤集團研究出的一種快凝、早強新型無機雙液注漿加固材料，同時也具備較強的可注性。單液在6 h內不凝固、不泌水、不沉淀，混合后凝結時間為3～10 min，1～8 h的強度能達到8～15 MPa，其性能見表1.

表1 聯(lián)邦加固Ⅱ號無機注漿材料性能表

在進行兩幫注漿加固過程中，注漿加固順序為兩幫淺部注漿加固→兩幫深部注漿加固→錨桿、錨索加固。在注漿過程中，由于圍巖較破碎，為防止煤巖體漏漿，將材料的水灰比控制為0.8∶1，在該水灰比條件下漿液具有良好的黏稠性和可泵送性，同時其固結體強度滿足注漿加固需求。

3.2.2注漿加固參數

淺部注漿孔參數：注漿鉆孔沿巷道兩幫成排布置，相鄰兩排注漿鉆孔呈三花眼布置。注漿孔排距全部3 000 mm，淺部注漿孔間距1 100 mm. 當兩幫松軟破碎時，利用自鉆式中空注漿錨桿打孔形成注漿通道；當兩幫完整時，采用d56 mm地質鉆機對兩幫底角鉆孔進行成孔，其余注漿鉆孔采用d42 mm錨桿鉆機打孔。鉆孔深度均為3 000 mm，兩幫底部鉆孔角度下仰10°，其余鉆孔均垂直于巷幫。在注漿過程中，當采用中空注漿錨桿作為注漿通道時，應該在注漿錨桿距尾部1 000 mm范圍纏繞棉紗形成封孔，通過注漿錨桿進行注漿。當采用埋孔口注漿管進行注漿時，孔內下射漿管，全長一次注漿施工，注漿孔射漿管長度2 000 mm，封孔深度為1 000 mm. 注漿終止壓力1～2 MPa，根據現場情況進行調整。

深部注漿孔參數：注漿孔排距全部3 000 mm，孔間距1 500 mm，采用d42 mm錨桿鉆機垂直于巷幫打孔，孔深8 000 mm. 在注漿過程中，全部鉆孔采用埋孔口注漿管，孔內下射漿管，全長一次注漿施工，注漿孔射漿管長度7 000 mm，封孔深度為1 000 mm. 注漿終止壓力4～6 MPa，根據現場情況進行調整。深淺部鉆孔布置見圖3，圖中白色孔為淺層注漿孔，黑色孔為深層注漿孔。

圖3 深、淺部注漿鉆孔布置示意圖

當淺部圍巖較為破碎時可能會出現局部漏漿，可采用間歇注漿的方式形成堵漏，堵漏或壓水后復注，對漏漿嚴重導致停注的區(qū)域補打注漿孔。

3.3 兩幫支護

巷道兩幫圍巖無機材料注漿施工完成7 d后，進行預應力錨桿錨索補強支護施工。1) 采用MSGLW-400的20#左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，長度2 000 mm，桿尾螺紋為M20 mm，錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，垂直巷幫打設；采用規(guī)格為MSK2335和MSZ2360的兩支樹脂錨固劑進行錨固，錨固長度為1 092 mm，托板規(guī)格為100 mm×100 mm×8 mm. 2) 采用規(guī)格為W235的W鋼護板護表對兩邊進行壓邊，同時采用50 mm×50 mm的10#鉛絲編織網片進行護表，規(guī)格為2 200 mm×1 100 mm. 3) 錨索采用d17.8 mm的1×7股高強度預應力鋼絞線，長度為5 300 mm，采用三支樹脂錨固劑加長錨固，1支規(guī)格為MSK2335，另2支規(guī)格為MSZ2360，樹脂錨固長度為1 406 mm；預應力錨索沿巷道斷面成三花布置，排距2 000 mm，每排布置2根錨索，間距1 500 mm. 具體支護設計方案見圖4.

圖4 兩幫支護布置圖

4 工程效果

為掌握注漿-錨桿錨索加固后的圍巖變形情況，對注漿加固后錨索的受力情況和加固后的圍巖變形進行布點觀測，對典型的測點觀測數據進行分析。測點1和2的錨索受力隨時間變化曲線見圖5，測點的圍巖變形曲線見圖6.

圖5 兩幫錨索受力監(jiān)測曲線圖

圖6 巷道位移曲線圖

從圖5可以看出，經過聯(lián)合支護后，在前80天內，錨索受力一直保持增加，之后基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。錨索受力增大表明巷道整體性得到明顯提高，為錨索受力提供了良好的載體，錨索對控制圍巖變形起到了一定的抑制作用。同時，后期錨索受力基本穩(wěn)定，受力變化很小，說明巷道注漿加固后幫錨索很好地控制了巷道圍巖的變形；反過來巷道圍巖穩(wěn)定保證了錨索的受力不是一直增大，而是逐漸穩(wěn)定，錨索支護起到了預期的支護效果，有效控制了巷幫圍巖的變形。

由圖6可以看出，聯(lián)合支護后的巷道兩幫及頂底板位移均表現出先增大后穩(wěn)定的趨勢，其中，1號和2號測點的兩幫移近量穩(wěn)定在22 mm和3 mm左右，頂底板移近量穩(wěn)定在25 mm和24 mm左右，巷道變形量均較小，表明經過聯(lián)合支護加固后的破碎軟巖巷道變形得到了較好的控制。

5 結 論

1) 分析了軟弱圍巖巷道失控機理，賦存環(huán)境、高水平構造應力等因素的共同作用是造成軟弱圍巖大變形的主要原因。同時，施工過程中支護時機和支護方式及參數選擇的不合理也是造成巷道失控的因素。

2) 解決圍巖破碎現狀、提高圍巖的整體性及圍巖的承載能力是進行其他支護方式的基礎和前提條件。提出了以注漿加固通過固結破碎圍巖為基礎，采用高強錨桿、錨索支護的綜合加固方案。

3) 經過綜合加固后，破碎圍巖整體性得到明顯提高，錨索受力穩(wěn)定，能夠很好地抑制圍巖變形，同時巷道變形較小，巷道穩(wěn)定性提高。