基于復合注漿材料的斷層破碎區巷道錨注支護

耿耀強，索永錄，趙騰飛，張紅衛，胡國和，馬小輝

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.渭南陜煤啟辰科技有限公司，陜西 渭南 714000；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯合工程中心，陜西 西安 710065；4.陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引 言

深部“三高一擾動”作用使得復雜地質環境下的巷道圍巖呈現變形大和破壞嚴重的特點[1-3]。強烈的開采擾動應力使斷層出現不同程度的活化，其對突水潰沙、頂板冒落、沖擊地壓、片幫、煤巖體失穩等災害產生重大影響[4-6]。國內外學者針對斷層區域煤巖體穩定性控制的研究表明：注漿加固技術可達到有效控制斷層開采擾動區圍巖變形破壞的目的[7-10]。

水泥及添加劑等因其來源廣、成本低和結石率高等優點而成為注漿加固的首選材料。但由于水泥的顆粒較大，導致其可注性和加固效果較差。為此，管學茂、郭東明和吳愛祥等研制了超細水泥漿，解決了可注性差的問題[11-14]。但超細水泥漿耐久性差，后期強度往往不足，限制了其應用[15]。而聚氨酯類化學注漿材料因具有黏度低、可注性好和強度高等優點而成為注漿加固材料的新選擇[16]，但傳統的聚氨酯注漿加固材料需摻用一定的阻燃劑來滿足阻燃要求[17]，而這些阻燃劑多含有高氯離子，危害礦工健康。因而，研制一種既能保留聚氨酯本身良好的性能又能避免其阻燃等缺點的新型材料成為必須解決的問題。

在巷道圍巖穩定控制上，劉泉聲等揭示了深部圍巖的變形規律及支護難點，提出分步聯合支護的設計理念[18]。郭相平等分析了應力環境及圍巖變形破壞特征，提出了全錨索支護技術[19]。孟慶彬等獲得了巷道斷面形狀對圍巖變形破壞失穩的影響規律，提出“三錨”聯合支護體系[20-22]。王連國等基于巷道圍巖的變形及破壞特征，提出了以注漿錨桿和注漿錨索為核心的深-淺耦合全斷面錨注支護方法[23]。這些為巷道圍巖的穩定性控制提供了寶貴的經驗，但巷道在不同復雜地質環境下的破壞特征差異明顯，因而其支護方法也將是不同的。

針對上述問題，以彬長礦區孟村煤礦中央一號回風大巷過DF29大斷層為背景，研制了一種可注性好、反應溫度低的新型注漿加固材料。并據巷道圍巖變形破壞范圍和分布特征，提出一種以中空注漿錨索為核心的錨注加固補強技術，且對其注漿加固效果進行了驗證。

1 井田概況及地應力特征

1.1 工程地質概況

孟村煤礦位于國家規劃的14個億噸級大型煤炭基地之一的黃隴侏羅紀煤田彬長礦區中西部，建設規模600萬t/a，以4#煤層為主采煤層，煤層厚度平均為24 m，埋深普遍超過700 m，采用綜采分層放頂煤采煤方法，回采煤層厚度10.5～12.0 m。

中央一號回風大巷于里程1 643 m位置揭露DF29斷層，落差33 m，煤層頂板破壞較嚴重，如圖1所示。中央一號回風大巷受高地應力、沖擊地壓、DF29大斷層、采動影響、厚煤層托頂煤等因素影響，造成1 560～1 800 m區段巷道變形破壞嚴重，主要表現為巷道底鼓、錨索拉斷、巷道頂部漿皮局部開裂、脫落等，且巷道斷層附近約40 m范圍存在淋水現象，嚴重影響行人安全，如圖2所示。

圖2 中央一號回風大巷破壞平面位置

根據中央一號回風斷層附近周圍鉆孔資料及已揭露的地質情況綜合分析表明：煤層結構較簡單，一般含2層夾矸，且位于煤層的中上部，煤層上部均為塊狀，下部為碎片及碎粒狀。實驗室測得4#煤上、下分層的單軸抗壓強度分別為19.37，26.88 MPa。而4#煤層偽頂多為黑色炭質泥巖，厚度小，直接頂板為較易冒落的泥巖、粉砂巖、砂質泥巖，巖石飽和抗壓強度為0.4～25.8 MPa。基本頂為泥質膠結的中粒砂巖和粗粒砂巖，實驗室測得其單軸抗壓強度分別為28.75，24.53 MPa。底板巖性一般為泥巖及粉砂巖，局部為細粒砂，泥巖單軸抗壓強度平均為17.99 MPa。中央一號回風巷道圍巖柱狀圖及物理力學參數見表1。

表1 巷道圍巖柱狀圖及物理力學參數

1.2 地應力特征

為獲得礦區地應力分布特征，對首采區的3個測點進行了地應力原位測量，其測點和地應力方向如圖3所示。結果表明：中央一號回風大巷處測點的最大主應力為水平應力，其值為30.52 MPa，與巷道軸向夾角為65°～81°。該地應力場屬于超高應力區，對巷道頂底的穩定性影響較大。

圖3 孟村礦井水平主應力方向測量示意

1.3 巷道圍巖原支護方式及破壞特征

中央一號回風巷道斷面為直墻半圓拱形，巷道設計寬度6 m，高度4.9 m，原始設計采用“錨網索噴”支護：全斷面鋪設1 500 mm×800 mm×100 mm鋼筋網；噴射C25混凝土150 mm；螺紋錨桿參數為φ22 mm×L2500 mm，間排距700 mm×700 mm；錨索參數為φ21.8 mm×L7 100 mm，間排距1 200 mm×1 400 mm。

但由于高地應力、煤巖層含水、DF29斷層、和開挖擾動等使得原有支護失效而破壞。經現場探查和鉆孔發現：巷道1 560～1 800 m區段的噴層大片開裂脫落、鋼筋網鼓出外露、拱頂變平、頂板下沉、架棚彎曲，如圖4所示；巷道幫部和肩角處破壞較大，兩幫部距巷道4 m處存在大裂隙。

圖4 中央一號回風巷道變形破壞

2 新型礦用復合注漿加固材料

市場上使用較多的聚氨酯類加固材料具有較高的反應溫度(最高反應溫度可達140 ℃以上)，阻燃性能相對較差，需要加入大量含鹵素元素的阻燃劑來達到阻燃性要求，施工現場一旦發生聚熱導致的高溫冒煙或著火，就會產生大量的有毒氣體，危害到井下施工人員的人身安全。

針對聚氨酯加固材料存在的問題，結合預應力中空注漿錨索，研發了一種低反應溫度高強度礦用復合注漿加固材料(SCPJG-2)，該材料通過添加環氧樹脂來降低聚氨酯(PAPI)的用量，從而達到降低最高反應溫度，提高抗壓強度的目的。而且，該注漿材料還具有反應時間可調、可注性與流動性好和粘結性強的優點。礦用復合注漿加固材料如圖5所示，其性能指標見表2。

表2 SCPJG-2型礦用復合注漿加固材料的性能指標

圖5 SCPJG-2型礦用復合注漿加固材料

3 斷層破碎帶巷道圍巖錨注支護設計

3.1 支護原理

考慮到斷層破碎帶巷道圍巖變形破壞較為嚴重，在原有支護基礎上，選擇以中空注漿錨索為主的錨注支護補強技術，其支護原理是：通過中空注漿錨索將礦用新型復合注漿材料注入破裂圍巖內，以充填孔裂隙等缺陷，使其膠結成整體，并在巷道淺部區域內形成注漿加固環，以此提高圍巖體的內聚力及內摩擦角，增加圍巖體的整體承載能力。此外在巷道深部區域內形成局部注漿加固體，以與注漿錨索共同對淺部圍巖加固部分起到懸吊、承載的作用，達到控制圍巖穩定的目的。

3.2 支護方案及參數

在設計錨注補強支護相關參數時，為了能更精確地確定注漿錨索的長度和間距等，需要先獲得巷道圍巖的塑性破裂區范圍和分布特征[24]。因此，利用COMSOL數值軟件建立了中央一號回風大巷二維模型，如圖6所示，尺寸60 m×60 m。在進行巷道圍巖塑性破壞區數值計算時，模型的左右邊界為輥支撐邊界，即約束法向位移；底部邊界為固定邊界，即約束所有位移；上邊界為上覆巖層的重量為17.5 MPa，其它圍巖力學參數見表1。而在進行巷道內復合注漿漿液的滲透擴散范圍模擬時，模型的四周皆為理想不可滲透邊界；巷道邊界也為不可滲透邊界；中空注漿錨索內為復合注漿漿液的初始漿液壓頭邊界。

圖6 巷道圍巖塑性破壞數值模型

根據數值模擬得到巷道圍巖塑性破壞云圖，如圖7所示。從圖7可知，巷道圍巖在頂板和兩幫肩窩的破壞較嚴重，其塑性破壞區分別為4.8和4.1 m，與現場探查結果基本一致，其幫部塑性破壞區約為2.5 m。

圖7 圍巖塑性區破壞云圖

依據巷道圍巖塑性破裂區范圍和特征及現場探查結果，設計錨注補強支護方案如下

1)頂板布置中空注漿錨索，其規格為φ22 mm×L7 100 mm，每根錨索使用2支型號為MSK2335和2支型號為MSZ2335的樹脂錨固劑，間排距為1 500 mm×1 400 mm，每排5根。其中空注漿錨索結構形式如圖8所示。

1 圓鋼 2 支撐箍 3 中空鋼絞線 4 注漿尼龍管 5 止漿塞 6 托盤 7 礦用錨索錨具 8 注漿鋼管 9 絲堵

2)巷道兩幫肩窩使用中空注漿錨索進行補強，其型號規格為φ22 mm×L5 800 mm，間排距為1 500 mm×1 400 mm，每排2根。其中央一號回風大巷的完整錨注補強支護方案如圖9所示。

圖9 中央一號回風大巷支護

3.3 支護效果

圖10為現場獲得的注漿漿液在頂板內的擴散效果圖，其表明注漿漿液能有效擴散并充填膠結破裂圍巖，增加了圍巖結構的整體性和承載能力。而注漿錨索由樹脂端錨變成全長錨固，促使支護體與圍巖結構耦合緊密，整體抵抗動載荷對巷道結構穩定性的沖擊能力加強。同時，該區域的淋水也得到有效治理。

圖10 頂板圍巖內漿液擴散效果

為進一步更直觀地看到圍巖注漿效果，基于上述支護方案，參照文獻[24]的方法，通過COMSOL模擬得到巷道圍巖內的注漿擴散效果，如圖11所示。從圖11可知，注漿錨索在淺部圍巖內形成厚度為4.5 m的注漿加固環，漿液能夠很好覆蓋淺部圍巖的破壞范圍，使淺部破碎的圍巖充分地膠結在一起。此外，注漿錨索又能在深部圍巖形成注漿加固體，不僅對深部圍巖進行加固，且能與淺部圍巖形成一個整體，提高圍巖整體的承載能力，從而控制巷道圍巖變形破壞，維持巷道圍巖的穩定。

圖11 巷道圍巖內漿液擴散效果

4 結 論

1)通過鉆孔勘探、地應力原位測量和實驗室試驗，獲得斷層區域內的復雜地質構造、巖性和地應力等特征，DF29斷層落差33 m，為目前彬長礦區最大揭露斷層，最大主應力為水平應力，其值為30.52 MPa，地應力場屬于超高應力區。探明了斷層破碎區巷道圍巖的變形破壞特征，并揭示了其破壞機理。

2)針對斷層破碎區巷道圍巖所處的復雜地質構造環境，研發了一種可注性好的反應溫度低于95 ℃、抗壓強度大于40 MPa的礦用復合注漿加固材料。

3)基于現場探測和數值模擬所得巷道圍巖的破壞特征，提出了一種以中空注漿錨索為核心的錨注補強支護方法，并優化了支護參數。其現場加固結果表明，該技術能有效維持巷道圍巖的穩定。