汾源煤業采動影響下采區大巷群注漿加固技術研究

謝 鵬

(霍州煤電集團 汾源煤業公司，山西 霍州 035100)

1 工程概況

霍州煤電集團汾源煤業位于山西省忻州市靜樂縣杜家村鎮內，采用斜井開拓，生產能力為120萬t/a，開采水平為+1 100 m，采用綜采放頂煤采煤工藝，礦井屬于瓦斯礦井，目前開采5號煤層，5號煤層平均厚度8.1 m，傾角0～4°，一采區三條大巷均沿5號煤層底板掘進，煤層頂底板巖性特征如表1所示。一采區井下標高為+1 179～+1 267 m，埋深為270～390 m，采用雙翼布置，首先進行采區左翼1-101工作面的回采，然后進行右翼1-102工作面的回采，兩翼工作面交替進行采掘。1-101工作面即將回采完畢時，對應位置的三條大巷表現出明顯的變形破壞，需采用適當的措施進行治理。

表1 煤層頂底板巖性特征

2 一采區大巷永久支護方案

一采區三條大巷平行布置，保護煤柱寬度為30 m，三條大巷均采用矩形斷面，斷面尺寸差別不大，因此本文以左側的輔運大巷為例進行研究。輔運大巷斷面尺寸寬、高分別為5.2 m和3.6 m，掘進期間其永久支護如圖1所示。頂板和兩幫錨桿規格為D20 mm×L2 400 mm，桿體材料為HRB500鋼，間排距均為800 mm，采用規格150 mm×150 mm×10 mm的碟形托盤，頂板錨桿采用CK2335型和Z2360型樹脂藥卷各一支，安裝預緊力距不小于150 N·m，兩幫錨桿采用一支Z2360型樹脂藥卷，安裝預緊力距不小于50 N·m，同排錨桿間采用由D14 mm的圓鋼雙面焊接制作的梯子梁聯結，頂板靠近頂角錨桿向外側偏斜20°設置，幫部靠近頂角的錨桿向上傾斜20°布置，幫部靠近底角的錨桿向下傾斜20°布置。頂板錨索采用D18.9 mm×L8 300 mm的鋼絞線，間距為2 000 mm，排距2 400 mm，錨索間通過厚度3.5 mm的M型鋼帶聯結。

圖1 輔運大巷支護斷面

3 大巷松動圈測試

1-101工作面即將回采完畢階段，現場調研發現，對應位置的三條大巷表面均出現明顯的變形現象，預計將影響巷道的正常使用，需采取適當的加固措施。為掌握圍巖的變形破壞特征，現場采用地質雷達對大巷圍巖的松動圈進行了測試[1-2]，通過地質雷達掃描巷道斷面，在松動破碎圍巖內，地質雷達發出的電磁波呈雜亂無章的狀態，當電磁波傳遞至破碎區與完整巖體的交界處時，電磁波會產生反射波，根據反射波的特征可推斷出巷道圍巖松動圈的發育情況。在三條大巷內分別布置兩個測點，具體位置如圖2所示，測試結果見表2。

圖2 松動圈測點布置

由表2可以看出，三條大巷頂板和兩幫松動圈發育范圍較大，底板松動破壞范圍較小，頂板松動圈發育范圍為2.4～2.6 m，兩幫松動圈范圍為2.4～3.1 m，底板松動圈范圍為0.85～1.45 m。根據松動圈的分類標準，三條大巷均屬于大松動圈的范疇，巷道圍巖屬于Ⅳ和Ⅴ類不穩定圍巖，頂板和兩幫的松動圈發育范圍均超出了錨桿支護的有效范圍，若不采取合理的加固措施，預計大巷圍巖存在整體性失穩的可能。

表2 松動圈測試結果 m

4 注漿加固技術

根據三條大巷圍巖松動圈發育情況，原有錨網索聯合支護已無法控制巷道圍巖破壞，為抑制巷道圍巖內松動圈的進一步擴展發育，提高巷道淺部圍巖的自穩和承載能力，提出對巷道圍巖進行注漿，根據松動圈發育情況設計頂板和兩幫注漿加固范圍為3 000 mm。目前常用的注漿材料可分為化學漿液和水泥漿液，汾源煤業一采區大巷圍巖松動破壞嚴重，圍巖內存在大量裂隙、孔隙，漿液需要具有良好的粘結性和充填能力，因此選擇ZKD高水速凝材料，這種漿液具有水灰比高、滲透性好、微膨脹等優點。

由于汾源煤業5號煤層頂板為泥質灰巖和泥巖，巖層內富含遇水膨脹性礦物，漿液中析出水分過多的話將降低頂板巖層的強度，因此合理的水灰比對于注漿效果影響很大，因此決定進行不同水灰比漿液性質的實驗，測試不同濃度漿液凝固后抗壓強度，整理得到表3所示結果。

表3 注漿后抗壓強度變化

從表3可以看出，漿液濃度愈高，漿液凝固周期越短，凝結后的強度愈高，但漿液水灰比小于1.5時，漿液凝結速度過快，不利于現場施工，但漿液濃度增大至1.8及以上時，漿液凝固后強度顯著降低，因此最終確定一采區三條大巷注漿材料水灰比為1.5∶1。

巷道淺部圍巖通常可通過注漿錨桿或中空注漿管，汾源煤業各條大巷圍巖破碎嚴重，漿液具有良好的滲流通道，因此選擇中空注漿管進行注漿，沿長度方向由注漿段、封孔段及聯結段組成，參考類似地質條件下巷道圍巖注漿管的設計[3-4]，本次注漿采用直徑20 mm的無縫鋼管，管壁厚2.5 mm，注漿管總長度2.5 m，注漿管詳細情況如圖3所示。

圖3 中空注漿管示意(mm)

設計注漿鉆孔深度為3.0 m，鉆孔直徑42 mm，注漿孔間排距為1.6 m，為防止注漿期間，臨近鉆孔漏漿、跑漿，設計分兩次進行注漿，首次注漿注漿孔排距為3.2 m，注漿孔布置如圖4所示。

圖4 大巷圍巖注漿孔布置

5 應用效果分析

對1-101工作面對應區域的三條大巷圍巖進行注漿加固后，為考察注漿效果，在注漿前后采用YTJ20型巖層探測記錄儀對輔運大巷頂板進行鉆孔窺視，給出不同深度較典型的圍巖情況如圖5所示。由圖5可以看出，注漿前，輔運大巷頂板深度0.5 m處巖層破碎嚴重，圍巖內存在大量空隙；頂板深度0.5～1.5 m范圍內，巖層也基本全部破碎，且存在明顯的離層，深度1.5～3.0 m范圍內，巖層存在較大裂隙和離層。注漿后，0～0.5 m內頂板巖層，漿液充填效果良好，0.5～1.5 m范圍內，巖層內的裂隙由漿液填充，膠結效果良好，深度1.5～3.0 m處，頂板巖層完整性良好。綜上可知，注漿加固后，大巷圍巖強度明顯提高，松動圈發育范圍明顯減小。且加固后大巷表面無明顯的變形現象，圍巖整體穩定，加固效果良好。

圖5 輔運大巷注漿前后頂板窺視結果