支光輝,劉少偉,2,賀德印,付孟雄 ,賈連鑫,曾得國,于 濤
(1.河南理工大學 能源科學與工程學院,河南 焦作 454000; 2.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心,河南 焦作 454000; 3.神華能源股份有限公司神東煤炭分公司,陜西 神木 719315; 4.河南省新鄭煤電有限責任公司,河南 新鄭 451100)
我國地域遼闊,煤炭賦存條件復雜多樣,“三軟”煤層廣泛分布于我國許多礦區,資源總儲量十分豐富。由于 “三軟”煤體黏聚力低、強度低、承載能力差,頂底板巖層條件差,巷道圍巖松軟破碎程度高等問題,給巷道圍巖支護帶來了不少難題[1-2]。為解決高應力軟巖巷道破壞嚴重、巷道變形量大和支護困難等問題,錨網索耦合支護、圍巖注漿及底板錨索等方法被提出,并取得了良好的支護效果[3-7]。強幫強角支護技術的提出和應用,有效提高了松軟破碎巷道圍巖幫部和角部穩定性,提高了頂板支護效果[8-10]。針對軟弱圍巖煤巷支護難題,以注漿為核心的錨注加高強度錨桿錨索圍巖控制方式,有效控制了煤巷圍巖的變形和破壞[11-14]。針對動壓影響下軟巖巷道圍巖破碎、變形嚴重等問題,通過對圍巖變形破壞特征分析,提出了以圍巖注漿改性為基礎,并配合錨網聯合支護,有效控制動壓影響下圍巖的變形破壞[15-17]。針對軟巖巷道圍巖大變形及巷道支護存在問題,結合相關現場監測結果提出了分步聯合支護措施,充分考慮了各種支護措施的時空關系,提高了圍巖控制效果[18-19]。為有效解決高地壓破碎軟巖巷道大變形和支護失效問題,提出了恒阻讓壓支護技術,該技術的應用降低了巷道圍巖變形量,有效增強了“三軟”巷道圍巖穩定性[20-22]。
針對多類型特定條件下的現場支護難題,相關學者開展了豐富且有效的研究,為松軟、破碎等困難條件下圍巖控制提供了有效的技術或方法,為巷道圍巖控制技術的發展做出了重要貢獻。同時,可看出上述研究幾乎都以改善圍巖條件,加大支護強度為主線,圍巖注漿在上述相關研究中被廣泛應用。對于松軟、破碎等一些困難條件成孔、封孔及注漿等問題有較大的研究空間。
因此,針對趙家寨礦“三軟”煤層巷道圍巖局部松軟破碎嚴重,錨固孔成孔困難及錨固力低下、注漿封孔效果差等問題,擬研發一種鉆封注一體化注漿錨桿,以簡化松軟破碎煤巷注漿及錨固流程,實現對松軟破碎圍巖改性,增強巷道煤體可錨性,從而有效解決松軟及破碎煤體錨固的瓶頸問題。
針對“三軟”煤層巷道圍巖局部破碎程度較高、錨固孔成孔困難、錨固力低下等特點,研發了一種鉆封注一體化注漿錨桿,相較于已有注漿錨桿等相關產品,該注漿錨桿集錨固孔鉆進、封孔、注漿及錨固等工序為一體,簡化了松軟及破碎圍巖的加固和支護施工流程,鉆封注一體化注漿錨桿主要結構如圖1所示。

圖1 鉆封注一體化注漿錨桿結構Fig.1 Grouting bolt structure of integration of drilling-sealing-injection
該注漿錨桿主要由四翼注漿鉆頭、端部纏繞鐵絲、封孔橡膠圈、預緊套管、預緊螺母等結構組成。具有下述特點:① 針對松軟破碎煤巷圍巖,四翼注漿鉆頭可一次性完成煤體的鉆進及注漿加固等工序;② 桿體尾部設置有一段螺紋結構,桿體下部一定范圍內交替安裝封孔橡膠圈和墊片,套上預緊套管后再擰緊預緊螺母,封孔橡膠圈在擠壓的作用下,將發生徑向變形,充滿桿體和孔壁之間的空間,實現注漿封堵;③ 在注漿加固后,將注漿錨桿保留在圍巖內,由于漿液對桿體的黏結作用,充當錨桿發揮對圍巖錨固作用;④ 注漿錨桿可根據煤巷圍巖松軟破碎范圍進行接長,以適應不同松軟破碎范圍的注漿加固。
1.2.1 鉆封注一體化注漿作用機理
注漿加固作為一種強化巷道圍巖強度的有效方法,通過注漿可有效的提高松軟及破碎圍巖的整體性及圍巖自身的承載及穩定能力,為后續的錨桿支護施工提供一個良好的圍巖條件。其作用機理主要包括:
① 注漿液形成的膠結體可封堵松軟、破碎煤體裂隙,增強松軟及破碎圍巖完整性,從而防止圍巖自身強度的降低;② 注漿對煤巖體中的裂隙進行充填密實,避免了松軟破碎煤體內部在承載過程中出現應力集中,改善了松軟煤巖體的破壞機制;③ 在較大注漿壓力作用下,漿液滲入煤巖體深部裂隙中,形成的膠結結構作為新的圍巖結構,使松軟及破碎煤巖體具有較高的殘余強度,防止煤巖內部裂隙的進一步擴展。
1.2.2 鉆封注一體化注漿錨桿錨固界面力學特征
水泥漿液作為松軟、破碎煤體注漿常用注漿液,漿液凝固之后,水泥注漿液將孔壁圍巖與桿體黏結在一起,鉆封注一體化注漿錨桿將對圍巖發揮支護作用。注漿時漿液向四周放射性擴散,圍巖內部將形成類似于圖2所示“拳頭”狀擴散區域,該區域內鉆孔附近煤體將被加固為密實的整體,形成的加固且密實煤體形狀可簡化為楔形錨固結構,在漿液黏結作用下與錨桿共同加固圍巖。根據該區域錨桿錨固界面特點,可將鉆封注一體化注漿錨桿的錨固分為2種類型,分別為正常柱面錨固段和頂端楔形錨固段。根據錨固界面形狀的變化,注漿錨桿錨固段受力特點可簡化為圖2所示的受力狀態。

圖2 錨固界面受力示意Fig.2 Schematic diagram of the stress at the anchoring interface
錨桿的錨固力不僅和水泥漿液與錨桿及孔壁的黏結力有關,同時還與水泥漿液與圍巖體之間的支撐力有關[23],此時鉆封注一體化注漿錨桿錨固力PL為
PL=P1+P2
(1)
式中,P1為水泥漿液與孔壁之間的黏結力,kN;P2為圍巖對水泥漿液固結體的支撐力,kN。
參照已有研究[24],PL的具體表達式如式(2)所示:

(2)
其中,D為正楔形錨固結構直徑,mm;d為正常柱面錨固段鉆孔直徑,mm;l1為正常柱面錨固段長度,mm;l2為楔形錨固段長度,mm;q1,q2為圍巖體與錨固體的極限摩阻力標準值,kN;c為楔形錨固段水泥漿液黏聚力標準值;γs為錨桿軸向受拉抗力分項系數。式(2)僅為一種鉆封注一體化注漿錨桿錨固力理論計算的參考方法。
為分析鉆封注一體化注漿錨桿在不同的圍巖條件下的工作特征及效果,在實驗室分別建立松軟煤體和破碎煤體兩種相似模型,以較真實地模擬鉆封注一體化注漿錨桿不同的現場工作條件。實驗所采用的注漿錨桿(圖3)總長為2 080 mm,總鉆進深度為1 795 mm。在2種相似模型基礎上,應用鉆封注一體化注漿錨桿進行鉆進、封孔及注漿等操作,以分析注漿錨桿的工作特征和注漿效果,具體實驗方案見表1。

表1 實驗方案Table 1 Experimental scheme

圖3 實驗用鉆封注一體化注漿錨桿整體示意Fig.3 Schematic diagram of drilling-sealing-injection integrated grouting bolt for experiments
2.2.1 鉆進過程桿體振動特征監測儀
為分析鉆封注一體注漿錨桿,在松軟和破碎煤體鉆進過程中的振動特征,采用TC-6850型網絡測振儀,對鉆進過程中的振動信息進行采集。該儀器最主要特點就是可通過無線WiFi網絡實現振動數據的傳輸,避免了使用有線傳輸數據造成不便的問題,測振儀如圖4所示。

圖4 TC-6850N網絡測振儀Fig.4 TC-6850N network vibration measuring instrument
2.2.2 注漿效果及范圍探測儀
為檢測鉆封注一體化注漿錨桿注漿效果,采用低頻超聲波掃描儀(EPCLtd,Hong Kong,China,A1040-MIRA)。該儀器可用于查找混凝土、鋼筋混凝土、天然石材中的異物、空洞、孔洞、分層、填充不密實和裂縫,自動生成2維或3維圖像,并將內部情況直觀地展示出來。實驗中煤體與漿液凝固體有較大區別,超聲波會于漿液擴散區域出現較強反射,因此,可用于檢測漿液擴散效果,從而判別漿液擴散范圍,低頻超聲波掃描儀及工作原理如圖5所示。

圖5 A1040-MIRA型低頻超聲波探測儀Fig.5 A1040-MIRA low frequency ultrasonic detector
在自主設計的試驗裝置上構建相似模擬模型,模型按破碎煤體和松軟煤體2種情況進行鋪設。根據現場調研回采巷道松軟和破碎煤體的賦存情況,通過在相似模型箱內填充粒徑為0.5~3.0 mm的煤屑模擬松軟煤體,填充粒徑為80~100 mm的塊煤模擬破碎煤體,鋪設完成并壓實后的相似模型如圖6所示。

圖6 松軟和破碎煤體相似模型Fig.6 Similar model laying of soft and broken coal
通過分析鉆封注一體化注漿錨桿,在不同煤體鉆進時的振動特征所表現的差異,完成煤體狀態識別和判定,為后期注漿參數的確定提供指導,以實現依據不同煤體破碎程度,進行差異化注漿,改善圍巖注漿加固效果的目的。注漿錨桿鉆進采用礦用手持式錨桿鉆機提供動力,鉆機轉速保持在約300 r/min,風壓恒定在0.8 MPa,實驗過程中對注漿錨桿鉆進時的振動信息進行采集,實驗過程如圖7所示。

圖7 鉆進過程振動信息采集Fig.7 Vibration information collection during drilling
根據鉆封注一體化注漿錨桿設計特點及研究內容,為實現對煤體的注漿加固,鉆進過程完成后,通過錨桿尾部注漿口對松軟及破碎煤體進行注漿加固。注漿材料選用標號為425號的普通硅酸鹽水泥,按照水灰質量比為1∶2進行混合攪拌,注漿初期水灰比略大于該比例,以使漿液較稀,能有更好的擴散效果,注漿過程如圖8所示。

圖8 注漿實驗過程Fig.8 Process of grouting experiment
根據超聲波探測儀工作原理,為了檢驗注漿效果,檢測過程分2次進行,注漿前測試,待注漿結束24 h后,對其進行第2次探測。測點布置及煤體測點劃分如圖9所示。待測煤體頂部劃分為25個500 mm×500 mm正方形網格,并對劃分的網格進行標號,由于C~E行區域為注漿錨桿漿液出口所在位置,因此該區域為重點探測區域。

圖9 超聲波測試測點劃分Fig.9 Division of ultrasonic test points
根據振動機理,在桿體較長條件下,注漿錨桿縱向振動更為明顯,因此著重分析不同粒徑煤體條件下縱向振動特征,為后期根據注漿錨桿振動特征判別煤體完整程度,進行差異化注漿提供理論依據,實驗測得的縱向振動加速度曲線如圖10所示。

圖10 A,B組鉆進過程中縱向振動加速度曲線Fig.10 Curves of longitudinal vibration acceleration during drilling of group A and B
如圖10(a)所示,錨桿在破碎煤體內鉆進時,A組1號及2號鉆孔鉆進時長相差不大,約50 s,注漿錨桿的縱向振動加速度值一般較小且較接近,在-1~1 m/s2波動。圖10(b)中,B組1號及2號鉆孔鉆進時長也相差不大,均在10 s左右,時間遠小于A組注漿鉆孔。同時B組1號及2號鉆孔注漿錨桿的縱向振動加速度值均較大,說明B組2孔的縱向振動加速度曲線波動變化更加明顯。為進一步明確2種煤體中注漿錨桿的振動特征,將A,B組注漿錨桿縱向振動加速均值、標準差以及峰值點密度匯總于表2。
由表2可知,A組實驗1號及2號注漿錨桿縱向振動加速度最大值均為5.39 m/s2,均值分別為0.212 m/s2和0.184 m/s2,標準差分別0.393和0.404,峰值點密度分別為0.96和0.91個/s;B組實驗1號及2號注漿錨桿縱向振動加速度最大值分別為186.20 m/s2和107.80 m/s2,均值分別為42.716 m/s2和23.962 m/s2,標準差分別35.777和21.388,峰值點密度分別為1.50和1.30個/s,其中標準差越大,說明加速度值相對于加速度均值的偏離程度越明顯,振動情況越劇烈,峰值點密度表示加速度曲線在單位時間內產生波峰及波谷的數量,峰值點密度越大,則表明波峰與波谷數量越多,振動程度越劇烈。對比發現,B組注漿錨桿縱向振動加速度標準差及峰值點密度遠大于A組,表明B組注漿鉆孔鉆進過程中注漿錨桿的振動劇烈程度遠高于A組注漿錨桿。

表2 注漿錨桿縱向振動加速均值、標準差以及峰值點密度Table 2 Mean acceleration,standard deviation,and peak point density of longitudinal vibration of grouting bolt
綜合以上分析,注漿錨桿在松軟煤體和破碎煤體注漿鉆孔鉆進過程中,振動特征具有較大差別,在松軟煤體中鉆進時縱向振動加速度值及振動劇烈程度遠大于破碎煤體。實驗結果表明,注漿錨桿在不同煤體內鉆進時振動特征存在較大差異。因此,可通過注漿錨桿鉆進時振動特征判別煤巷圍巖結構狀態,進行針對性注漿參數設計,實現差異化注漿。
4.2.1 破碎煤體注漿效果低頻超聲探測實驗
破碎煤體(A組)注漿前后獲取的超聲波探測圖像如圖11所示。

圖11 D行測點注漿前后超聲波反射情況Fig.11 Ultrasonic reflection before and after grouting at line D
如圖11所示,對比注漿前后D行5測點所測得的超聲波反射對比云圖發現,注漿前煤體內部各測點超聲波反射均不明顯,無明顯強反射區域,說明鋪設后的模型煤體內部結構較為均勻。注漿24 h后D行5測點均出現超聲波反射增強區域,該區域深度較大,最大達到了600 mm(如D4,D5測點),表明測試煤體內部出現了結構密實的物體,同時也表明漿液擴散半徑至少達到了600 mm。
另外,通過對各測點反射超聲波振幅進行提取統計,獲得了注漿前后C~E行測點超聲波反射平均振幅,如圖12所示。
如圖12所示,注漿前C~E各測點超聲波振幅相差不大,振幅曲線波動范圍較小,基本均在55~70 dB,反射超聲波平均值分別為64.7,63.4,61.1 dB。注漿后C~E行測點反射超聲波平均值分別為65.1,77.5,68.0 dB,較注漿前有了較大程度提高,振幅增加區域均表明該位置處于漿液擴散區域,同時受漿液擴散影響各曲線波動程度較大,振幅最大值均出現在第5列處,實驗結果表明注漿錨桿能夠較有效的將漿液注入破碎煤體內。

圖12 注漿前后C~E行測點平均振幅Fig.12 Average amplitude of measuring points in C to E lines
4.2.2 松軟煤體注漿效果低頻超聲探測實驗
為了檢驗松軟煤體相似模型注漿效果,采用同樣方法,對松軟煤體相似模型在注漿前后進行超聲波探測,考慮到篇幅,超聲波反射云圖分布規律與破碎煤體相似,這里不再贅述。通過對各測點反射超聲波振幅進行提取統計,獲得了松軟煤體注漿前后C~E行測點超聲波反射平均振幅,如圖13所示。

圖13 注漿前后C~E行測點平均振幅Fig.13 Average amplitude of measuring points in lines C to E before and after grouting
如圖13所示,與破碎煤體探測結果相似,注漿前C~E各測點超聲波振幅平均值相差不大,振幅曲線波動程度也較小,基本均在50~70 dB,反射超聲波平均值分別為61.9,64.8,62.5 dB。注漿后C~E各測點超聲波振幅均較注漿前有所增加,反射超聲波平均值分別為69.70,67.20,75.22 dB。此外,第1,2,5列處測點平均反射振幅最大,表明該位置處于漿液擴散區域,也說明注漿錨桿能夠較有效的將漿液注入松軟煤體內。
上述對2種煤體注漿后超聲波探測結果顯示,注漿后2種煤體超聲波振幅均較注漿前均有所增加,說明鉆封注一體化注漿錨桿可將漿液有效注入煤體,且在注漿過程封孔效果較好,未見漿液從孔口流出,該注漿錨桿整體注漿效果達到預期。因此,應用該注漿錨桿可加快煤層巷道圍巖注漿加固工作效率,有效改善煤巷圍巖條件。
基于理論分析及實驗室研究結果,在趙家寨礦12213進風巷進行了鉆封注一體化注漿錨桿現場工程試驗。12213進風巷所在的12采區位于滹沱背斜軸部附近,地質條件較為復雜,受背斜影響煤層底板起伏較大,頂、底板裂隙發育,在12213進風巷掘進過程中,巷道圍巖時常出現松軟及破碎段,嚴重影響巷道支護質量、制約巷道掘進速度。12213進風巷布置于二1煤層中,臨近12211工作面采空區,其與臨近巷道位置關系剖面示意如圖14所示,二1煤層為當前主采煤層,厚度最大達到9.1 m,平均厚度6 m。12213進風巷斷面形狀為梯形,巷高為3 400 mm,頂部尺寸為4 000 mm,底部尺寸為5 400 mm,支護形式為錨網索+液壓抬棚,錨桿選用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,型號為φ20 mm×2 400 mm,間排距為800 mm×800 mm,錨索型號為φ17.8 mm×6 200 mm或φ17.8 mm×8 200 mm,間排距為1 100 mm×1 600 mm。

圖14 臨近巷道位置關系剖面圖Fig.14 Sectional relationship profile of adjacent roadway
根據研究目的,在12213進風巷610 m和735 m附近布置試驗測點,這2處圍巖煤體條件分別呈現破碎和松軟狀態,將其分別記為A組和B組。在2試驗測點進行鉆封注一體化注漿錨桿鉆進振動特征分析及錨固性能測試,每組使用鉆封注一體化注漿錨桿打2個鉆孔,另外布置2個正常樹脂錨桿錨固孔,對比2種錨固方式性能。各鉆孔處于同一高度,水平間隔3 m。將A組鉆孔編號記為A1,A2,A3和A4,其中A1和A2為鉆封注一體化注漿錨桿錨固孔,B組鉆孔記為B1,B2,B3和B4,同樣B1和B2為鉆封注一體化注漿錨桿錨固孔,試驗方案見表3。

表3 試驗方案Table 3 Test scheme
5.3.1 鉆進過程振動特征分析
用符合煤礦安全標準的巖層信息鉆測儀(圖15),其功能和操作與實驗時采用的儀器基本一致,此處不再贅述。通過螺紋將鉆測儀與注漿錨桿連接在一起,采集鉆進A1和A2、B1和B2時錨桿的振動信息,注漿錨桿縱向振動加速度曲線如圖16所示。

圖15 巖層信息鉆測儀Fig.15 Rock formation information drilling and monitoring instrument
如圖16(a),(b)所示,鉆封注一體化注漿錨桿在破碎煤體鉆進時,鉆進時長較為接近,A1鉆孔鉆進時長約為38 s,A2鉆孔鉆進時長約為32 s,同時其縱向振動加速度值也較為相近,在-60.0~60.0 m/s2波動。圖16(c),(d)為松軟煤體鉆進過程縱向振動加速度曲線,2個鉆孔鉆進時長約為20 s和24 s,同時相較于破碎煤體鉆進時,鉆進過程中注漿錨桿的縱向振動加速度值均較大,在-120~160 m/s2,說明注漿錨桿B2孔的縱向振動加速度曲線波動變化更加明顯。為進一步明確2種煤體條件下,注漿錨桿的振動特征,將注漿錨桿縱向振動加速均值、標準差以及峰值點密度匯總于表4。

圖16 鉆進過程中縱向振動加速度曲線Fig.16 Curves of longitudinal vibration acceleration during drilling

表4 縱向振動加速均值、標準差以及峰值點密度Table 4 Mean acceleration,standard deviation,and peak point density of longitudinal vibration
由表4可知,破碎煤體條件下,A1和A2鉆孔鉆進過程,注漿錨桿縱向振動加速度最大值為52.375 m/s2和46.242 m/s2,均值分別為1.036 m/s2和1.467 m/s2。相比之下,松軟煤體條件鉆進時,注漿錨桿縱向振動加速度最大值為154.66 m/s2和118.83 m/s2,均值分別為11.798 m/s2和8.182 m/s2,其值均遠大于破碎煤體條件時。此外,破碎和松軟煤體2種條件下,注漿錨桿振動加速度標準差分別為14.092,17.852和66.423,49.239,峰值點密度分別為0.84,0.90和1.32,1.27,對比發現,松軟煤體條件下注漿錨桿縱向振動加速度標準差及峰值點密度遠大于破碎煤體條件時,說明該條件下注漿錨桿振動劇烈程度更高。
5.3.2 注漿錨桿錨固性能測試
鉆封注一體化注漿錨桿鉆進完成后,對煤體進行注漿加固,所注水泥漿液中添加有早強劑、水玻璃等添加劑,待注漿結束48 h后,對其進行錨固力拉拔測試,同時對各條件下預先錨固的樹脂錨桿進行拉拔試驗,其中樹脂錨桿型號為φ20 mm×2 400 mm,錨固時采用了1卷直徑23 mm,長度60 mm的快速樹脂錨固劑,現場測試過程如圖17所示,部分現場拉拔測試結果如圖18所示。

圖17 現場拉拔試驗Fig.17 Field pull test

圖18 現場錨桿拉拔試驗結果Fig.18 Test results of field bolt drawing
如圖18所示,2種條件下,鉆封注一體化注漿錨桿拉拔力分別為68.5,64.2,66.4和69.5 kN,通過對比可發現注漿錨桿拉拔力均高于對應條件下樹脂錨桿拉拔力。此外4根注漿錨桿平均拉拔力為67.1 kN,而樹脂錨桿平均拉拔力為49.2 kN,相較于樹脂錨桿平均拉拔力,注漿錨桿平均拉拔力提高約36.4%,說明該注漿錨桿在破碎和松軟圍巖條件下具有更好的錨固性能,其主要原因是得益于通過注漿加固圍巖,提高了圍巖的完整性及可錨性。
(1)研究結果表明,鉆封注一體化注漿錨桿能夠有效實現松軟及破碎煤體條件下,鉆進、封孔、注漿及錨固等工序,簡化注漿加固煤體施工流程,加快施工速度,改善松軟破碎煤體封孔、注漿效果。
(2)實驗室實驗及現場試驗鉆進過程注漿錨桿振動信息監測結果表明,鉆封注一體化注漿錨桿在不同煤體條件下鉆進時,振動響應特征存有明顯差異,依此實現煤體條件的判別,可為巷道圍巖注漿參數設計及差異化注漿提供理論依據。
(3)通過實驗室對煤體進行超聲波無損檢測,可發現鉆封注一體化注漿錨桿能把漿液順利注入松軟及破碎煤體,且漿液具有較大擴散范圍,說明注漿錨桿可對該類圍巖條件的巷道實現良好的注漿加固作用。
(4)鉆封注一體化注漿錨桿現場拉拔試驗結果顯示,在松軟及破碎煤體條件下,相較于普通樹脂錨桿,該注漿錨桿具有更大的錨固力,錨固力提升了約36.4%。說明注漿錨桿能夠對煤體起到較好的注漿加固及錨固作用。