晉華宮礦12 號層301 擴(kuò)區(qū)回風(fēng)巷泥質(zhì)膠結(jié)圍巖控制技術(shù)

劉文龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016）

0 引 言

煤炭在回采時受煤層賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響明顯。當(dāng)巷道在不同圍巖中掘進(jìn)時應(yīng)針對性采取圍巖支護(hù)技術(shù)[1-2]。當(dāng)掘進(jìn)巷道位于泥質(zhì)膠結(jié)的軟巖中，巷道圍巖較為松軟，遇水時會出現(xiàn)膨脹、泥化等情況，從而使得圍巖支護(hù)體系中的錨桿、錨索等結(jié)構(gòu)松弛、失效，巷道需要頻繁的進(jìn)行修整[3]。眾多的研究學(xué)者對泥質(zhì)膠結(jié)軟巖巷道圍巖控制展開研究，其中朱先龍等[4]提出將錨網(wǎng)索結(jié)合M 鋼帶、鋼筋網(wǎng)護(hù)頂?shù)确绞綇?qiáng)化對軟巖圍巖頂板控制，從而有效解決軟巖頂板下沉量過大安問題；張輝等[5]提出采用分次注漿方式改善泥質(zhì)膠結(jié)軟巖承載力較低、圍巖穩(wěn)定性較差問題；康紅普等[6]提出采用高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)錨桿配合注漿對軟巖進(jìn)行控制，通過充分發(fā)揮錨桿預(yù)應(yīng)力提升圍巖控制效果。上述研究成果為泥質(zhì)膠結(jié)軟巖巷道圍巖控制提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)借鑒。文中以晉華宮礦12 號層301 擴(kuò)區(qū)回風(fēng)巷為研究對象，針對軟巖圍巖控制困難問題，提出采用錨注技術(shù)控制圍巖變形，現(xiàn)場取得較好的應(yīng)用成果。

1 工程概況

晉華宮礦12 號層301 擴(kuò)區(qū)回風(fēng)巷埋深平均620 m，該巷道主要用于采區(qū)回風(fēng)。巷道設(shè)計掘進(jìn)長度680 m，斷面為半圓拱型。具體位置見圖1。

圖1 301 擴(kuò)區(qū)集中回風(fēng)巷

301 擴(kuò)區(qū)回風(fēng)巷沿著12 號煤層頂板掘進(jìn)，頂?shù)装鍘r層以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，具體巖性參數(shù)見表1。

表1 12 號煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)

301 擴(kuò)區(qū)回風(fēng)巷所在巖層為典型的泥質(zhì)膠結(jié)軟巖，圍巖支護(hù)難度高，具體體現(xiàn)在；圍巖本身強(qiáng)度低，巷道掘進(jìn)后容易導(dǎo)致圍巖破碎、失穩(wěn)，難以長期維持巷道圍巖穩(wěn)定；巖層膠結(jié)性差，粘聚力、內(nèi)摩擦角等較小，錨桿、錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的錨固力難以長時間保持，當(dāng)受到采動影響時支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐力會進(jìn)一步降低；圍巖裂隙發(fā)育，遇水容易膨脹變形，采用常規(guī)的水泥單液甚至?xí)黾訃鷰r變形；巷道圍巖在干燥條件下具有一定的承載力，遇水后強(qiáng)度迅速降低，當(dāng)巷道掘進(jìn)遇水時容易會出現(xiàn)頂板冒落等安全事故[7-8]。

如何確保301 擴(kuò)區(qū)回風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定成為巷道掘進(jìn)時需要解決的現(xiàn)實(shí)問題。根據(jù)礦井圍巖控制經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)研究成果，提出采用中空注漿錨網(wǎng)索方式控制圍巖變形。

2 圍巖控制技術(shù)

2.1 全斷面錨注加固

2.1.1 中空注漿錨桿

為了便于圍巖控制，全斷面錨注加固技術(shù)控制圍巖變形。圍巖控制采用的錨桿為中空注漿錨桿，錨桿直徑、長度分別為25、3 000 mm，破斷力在200 kN以上，錨固時配備采用規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm 鋼托盤。錨桿按照700 mm×700 mm 間排距布置，采用型號2850 樹脂錨固劑錨固。采用的中空注漿錨桿結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 中空注漿錨桿結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 中空注漿錨索

采用的錨索為中空注漿錨索，直徑、長度分別為29、8 300 mm，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 700 MPa，破斷力為400 kN 以上，按照1 400 mm×1 400 mm 間排距布置。配合護(hù)頂采用的托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm 的鋼托盤。錨固時采用2 支2850 樹脂錨固劑錨固，施工完成后提供的預(yù)緊力在120 kN 以上。

圖3 中空注漿錨網(wǎng)索結(jié)構(gòu)圖

具體中空注漿錨網(wǎng)索布置見圖3 所示，在巷道拱頂中部布置1 根中空注漿錨索，兩側(cè)錨桿、錨索均呈放射狀布置。在巷幫幫角錨桿有15°外插角且與底板間距在200 mm。

采用的護(hù)表結(jié)構(gòu)為6 mm 鋼筋編制而成的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔大小為80 mm×80 mm，在中空注漿錨索間采用W 鋼材連接。巷道表面噴射厚度150 mm、強(qiáng)度C20 混凝土層。混凝土分2 層噴射，掘進(jìn)完成后立刻噴射50 mm 以便及時封堵圍巖裂隙，避免巖層風(fēng)化、強(qiáng)度降低，鋼絲網(wǎng)鋪設(shè)完畢，錨桿、錨索完成注漿后進(jìn)行二次噴射，厚度為100 mm。

2.2 注漿材料選擇

由于301 擴(kuò)區(qū)回風(fēng)巷為泥巖膠結(jié)軟巖，遇水時容易出現(xiàn)膨脹、崩解，強(qiáng)度及穩(wěn)定性顯著降低。同時巷道在掘進(jìn)時均在一定程度滲水現(xiàn)象，因此錨桿、錨索注漿時需要解決下述問題：

1）采用無機(jī)材料（水泥漿）時，如何避免注漿漿液中水對圍巖影響。

2）注漿后圍巖形成的加固體應(yīng)能有效阻斷導(dǎo)水裂隙。

3）采用的注漿材料時，應(yīng)滿足滲透半徑大、滲透率高等要求，同時注漿材料應(yīng)具備一定膨脹性，確保裂隙可被注漿漿液完全充填。圍巖被注漿漿液膠結(jié)后強(qiáng)度及穩(wěn)定性均應(yīng)得到一定程度是提升。

在注漿時若選用化學(xué)注漿材料顯然可滿足要求，但是卻存在注漿成本高昂問題，經(jīng)濟(jì)性不合理；選用水泥漿不能滿足注漿加固需要。綜合分析，決定選用親泥性泥巖注漿材料進(jìn)行圍巖注漿加固。具體親泥性泥巖注漿材料與水泥漿性能參數(shù)見表2。

從表2 可看出，在水灰比相同的情況下親泥性泥巖注漿材料、水泥漿粘度分別為18 MPa·s、18 MPa·s，親泥性泥巖注漿材料要明顯低于水泥漿，從而在圍巖裂隙中具有更好的擴(kuò)散性能；親泥性泥巖注漿材料初凝、終凝時間也明顯小于水泥漿；親泥性泥巖注漿析水率也更低。此外，親泥性泥巖注漿材料與泥巖具有更好的膠結(jié)能力；因此，根據(jù)301 擴(kuò)區(qū)回風(fēng)巷注漿加固需要，最終中空注漿錨桿、中空注漿錨索注漿加固材料均選擇親泥性泥巖注漿材料。

表2 親泥性泥巖注漿材料與水泥漿性能參數(shù)

3 圍巖控制效果分析

待301 擴(kuò)區(qū)回風(fēng)巷采用中空注漿錨桿、中空注漿錨索加固圍巖后，對巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測。具體圍巖變形量以及變形速度監(jiān)測結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 圍巖變形量監(jiān)測結(jié)果

圖5 圍巖變形速度測結(jié)果

從圖中看出，在巷道初期掘進(jìn)階段（10d 內(nèi)）巷道圍巖變形量增加速度為1.0 mm/d，變形量值接近10 mm；掘進(jìn)支護(hù)完成后10d 后圍巖變形量及變形速度均快速降低，支護(hù)完成40d 圍巖變形量基本趨于穩(wěn)定，最終頂?shù)装遄冃瘟糠€(wěn)定在19 mm、巷幫變形量穩(wěn)定在16 mm。

4 結(jié) 論

1）301 擴(kuò)區(qū)回風(fēng)巷在泥質(zhì)膠結(jié)軟巖中掘進(jìn)，在掘進(jìn)影響、圍巖應(yīng)力等因素綜合影響下導(dǎo)致圍巖變形量較大，采取常規(guī)的錨網(wǎng)索支護(hù)時圍巖支護(hù)體系容易出現(xiàn)失效，從而無法起到有效控制圍巖變形目的。

2）在分析導(dǎo)致圍巖變形量過大原因基礎(chǔ)上，提出采用錨注方式控制圍巖變形，具體是采用中空注漿錨桿、中空注漿錨索對圍巖進(jìn)行全斷面注漿，從而顯著提升圍巖承載能力及穩(wěn)定性。為了降低圍巖注漿加固成本，注漿材料選擇親泥性泥巖注漿材料。

3）現(xiàn)場應(yīng)用后，301 擴(kuò)區(qū)回風(fēng)巷頂?shù)装濉⑾飵妥冃稳〉蔑@著的圍巖控制效果。研究成果可為其他礦井掘進(jìn)遇泥質(zhì)膠結(jié)軟巖圍巖控制提供借鑒參考。