破碎頂板巷道失穩(wěn)原因與注漿加固支護(hù)技術(shù)研究

聶建斌

（山西忻州神達(dá)集團(tuán)晉保煤業(yè)有限公司，山西 保德 036600）

破碎頂板巷道的支護(hù)一直是影響巷道掘進(jìn)和后期維護(hù)的重要因素[1-2]。晉保煤礦13102 運(yùn)輸聯(lián)巷由于頂板圍巖強(qiáng)度較低和地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，使其頂板松軟破碎，在礦井掘進(jìn)期間出現(xiàn)巷道變形劇烈的情況，對(duì)巷道的支護(hù)以及礦井安全生產(chǎn)造成了很大的影響。巷道變形使其原有的節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育貫通，并且產(chǎn)生新的裂隙，單一的錨網(wǎng)索支護(hù)也由于裂隙的發(fā)育致使其錨固力不足，無法達(dá)到控制巷道變形的效果[3]。因此，如何有效地控制松軟破碎巷道圍巖的變形顯得極為重要。

1 工程概況

13102 運(yùn)輸聯(lián)巷位于井田西南部，巷道東部為實(shí)體煤，西部為13101 回風(fēng)順槽，北部為二水平輔運(yùn)下山。13102 運(yùn)輸聯(lián)巷工作面布置在13#煤上分層中，掘進(jìn)區(qū)域的13#煤層位于太原組中下部，煤層厚度5.78 m，一般夾矸厚度0.02～0.05 m，為賦煤區(qū)穩(wěn)定可采煤層。工作面所在區(qū)域煤層的走向近南北向，傾向西，煤層傾角10°～13°，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，為單斜構(gòu)造。柱狀圖如圖1。

圖1 鉆孔柱狀圖

13102 運(yùn)輸聯(lián)巷位置如圖2。13102 運(yùn)輸聯(lián)巷頂板圍巖松軟破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。巷道現(xiàn)有的支護(hù)方式主要是錨桿加錨索支護(hù)，當(dāng)前支護(hù)強(qiáng)度無法控制巷道變形，使得巷道的維護(hù)以及返修量大，影響了工作面順槽的正常掘進(jìn)。因此，引進(jìn)高壓注漿及錨網(wǎng)索支護(hù)的綜合加固技術(shù)治理13102 運(yùn)輸聯(lián)巷圍巖破碎、變形大的問題。

圖2 13102 運(yùn)輸聯(lián)巷位置圖

2 巷道變形失穩(wěn)原因及注漿加固原理

2.1 巷道變形失穩(wěn)原因

由于13102 運(yùn)輸聯(lián)巷頂板自身強(qiáng)度較低以及地質(zhì)構(gòu)造的影響，巷道掘進(jìn)后短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了圍巖變形嚴(yán)重的問題，通過現(xiàn)場(chǎng)取樣發(fā)現(xiàn)取出的巖芯多為破碎的巖塊。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸聯(lián)巷變形嚴(yán)重的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）圍巖自身強(qiáng)度低。巷道頂板以砂質(zhì)泥巖為主，巖石本身的抗壓強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度比較低，在掘進(jìn)擾動(dòng)作用下變得松軟破碎。

（2）頂板圍巖形成松動(dòng)破壞圈。由于頂板圍巖的自身強(qiáng)度低，使頂板發(fā)生了破碎松動(dòng)，形成了一定范圍的松動(dòng)破壞圈。

（3）錨桿錨索與圍巖不耦合。由于頂板圍巖松軟破碎，錨桿錨索的錨固力喪失，無法與圍巖形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，部分錨桿直接脫落。

（4）圍巖巖體質(zhì)量差。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)計(jì)算巖體的節(jié)理密度，以此來獲得巷道圍巖的巖體質(zhì)量。

I.W.Farmer[4]通過研究巖體中節(jié)理密度與RQD指標(biāo)的關(guān)系，提出了如表1 所示的估算數(shù)值。

節(jié)理密度為節(jié)理平均間距的倒數(shù)，即

式中：λ為節(jié)理密度，條/m；n為節(jié)理數(shù)；di為相鄰節(jié)理之間的距離，m。

根據(jù)對(duì)13102 運(yùn)輸聯(lián)巷工作面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)可知，相鄰兩節(jié)理之間的距離為1/16 m，由式（1）可得到節(jié)理密度為1 條/m，由表1 數(shù)據(jù)可知巷道圍巖破碎區(qū)域巖體的RQD 值在25%～50%之間，因此巷道周圍巖體質(zhì)量為差。

表1 節(jié)理密度與RQD 指標(biāo)關(guān)系

2.2 注漿加固原理

破碎圍巖難以支護(hù)的原因主要有兩點(diǎn)[5]：（1）圍巖自身松散破碎，強(qiáng)度低，導(dǎo)致其承載能力低；（2）破碎圍巖的松動(dòng)圈范圍大，使用錨桿錨索支護(hù)時(shí)沒有可靠的著力點(diǎn)，致使錨桿錨索的錨固力衰減或喪失，無法達(dá)到支護(hù)要求。

首先，對(duì)破碎圍巖進(jìn)行注漿加固，漿液通過節(jié)理裂隙滲透到破碎巖體內(nèi)部，對(duì)破碎區(qū)域的圍巖進(jìn)行加固。通過注漿提高煤巖體的內(nèi)摩擦角和粘聚力，阻止圍巖內(nèi)部破碎離層位置在高應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)容性破壞。同時(shí)，注漿加固可有效減小圍巖松動(dòng)圈范圍，為錨桿錨索支護(hù)提供可靠的著力基礎(chǔ)，增強(qiáng)破碎圍巖的可錨性，防止錨桿錨索與圍巖同步變形。

通過注漿使圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于完整，也有助于恢復(fù)圍巖力學(xué)性能。在此基礎(chǔ)上，還需要提高支護(hù)強(qiáng)度，采用注漿錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，強(qiáng)化對(duì)圍巖的主動(dòng)支護(hù)能力，提高注漿后的煤巖體的承載能力，使錨桿錨索有更強(qiáng)的錨固力，對(duì)破碎圍巖的控制效果更佳，阻止巷道圍巖再次破壞。

3 支護(hù)方案

注漿加固支護(hù)順序：水泥注漿→錨桿錨索支護(hù)。先對(duì)頂板進(jìn)行注漿，接著對(duì)頂板和兩幫進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)。

3.1 水泥注漿

水泥注漿采用水泥和水玻璃雙漿液，其中水灰比0.5:1～0.8:1，漿液中的添加劑選用XPM 添加劑，用量為水泥重量的9%～11%。水泥和水玻璃的用量比為1:0.5～1:0.9，注漿壓力為2～3 MPa，注漿壓力可以隨著現(xiàn)場(chǎng)的具體情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。頂板淺孔注漿直徑41 mm，間排距1400 mm×2100 mm，如圖3。頂板注漿鉆孔深度為4500 mm。

圖3 頂板注漿參數(shù)圖

3.2 錨桿錨索加固

頂板注漿工作完成后，對(duì)頂板進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)。

錨桿：頂板選用Φ20 mm×2200 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×900 mm，呈矩形布置，每排6 根；幫部錨桿選用Φ18 mm×2200 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×900 mm，矩形布置，每幫每排4 根。托板規(guī)格：150 mm×150 mm，厚10 mm。樹脂錨固劑：配套使用兩支CK2335 型樹脂錨固劑。錨索：Φ17.8 mm×7000 mm 的鋼絞線，間排距2000 mm×1800 mm，呈矩形布置，每排2 根。樹脂錨固劑：配套使用四支CK2335 型樹脂錨固劑。托板規(guī)格：300 mm×300 mm×10 mm 的鋼板。巷道支護(hù)圖如圖4。

圖4 巷道支護(hù)圖

4 支護(hù)效果

4.1 注漿效果監(jiān)測(cè)

注漿加固實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道頂板破碎區(qū)域裂隙的充填，提高了破碎區(qū)域巖體的整體粘結(jié)性。使用錨桿（索）拉力計(jì)監(jiān)測(cè)錨桿（索）錨固力，發(fā)現(xiàn)錨桿錨固力達(dá)到了100 kN，錨索錨固力達(dá)到了150 kN，起到了有效的錨固作用，與注漿加固之前錨桿出現(xiàn)脫落的情況相比有了很大的改進(jìn)，說明注漿加固效果良好。

4.2 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

采用十字布點(diǎn)法和測(cè)桿測(cè)量運(yùn)輸聯(lián)巷的頂板下沉量和兩幫位移量。在巷道破碎圍巖區(qū)域的中點(diǎn)位置設(shè)置一個(gè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5。從圖中可看出，位移曲線剛開始快速上升，隨著觀測(cè)時(shí)間越來越長(zhǎng)，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，20 d 后，變形基本穩(wěn)定。巷道變形達(dá)到穩(wěn)定后，頂?shù)装遄畲笠平繛?9 mm，兩幫最大移近量為68 mm，巷道控制效果良好。

圖5 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果表明巷道變形失穩(wěn)原因主要是由于圍巖自身的強(qiáng)度較低以及地質(zhì)構(gòu)造的影響導(dǎo)致巷道圍巖松軟破碎，錨桿錨索錨固力喪失，難以與圍巖形成一個(gè)整體。

（2）針對(duì)13102 運(yùn)輸聯(lián)巷工作面的圍巖變形失穩(wěn)原因，結(jié)合注漿加固技術(shù)原理，引進(jìn)高壓注漿及錨網(wǎng)索支護(hù)的綜合加固技術(shù)對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。高壓注漿主要以水泥注漿為主，在注漿支護(hù)的基礎(chǔ)上使用錨網(wǎng)索支護(hù)，確保圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定。

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，注漿加固技術(shù)可有效控制破碎圍巖的變形破壞。通過注漿加固實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板破碎區(qū)域裂隙的充填，提高了頂板完整性，使錨桿錨索的錨固力分別達(dá)到了100 kN 和150 kN，起到了很好的錨固作用；巷道頂?shù)装逡平靠刂圃诹?0 mm 以內(nèi)，兩幫移近量控制在了70 mm 以內(nèi)，保證了后期巷道的安全穩(wěn)定。