61116材料巷破碎圍巖注漿與支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

高 潔

（汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦，山西 孝義 032303）

1 工程概況

山西焦煤汾西礦業(yè)（集團(tuán)）公司柳灣煤礦61116工作面井下位于六盤區(qū)，北部為61114工作面采空區(qū)，西部為六盤區(qū)南翼膠帶巷、六盤區(qū)南翼軌道巷、六盤區(qū)南翼回風(fēng)巷。工作面開采11#煤層，煤層平均厚度5.39 m，平均傾角為5°，煤層頂板巖層為頁(yè)巖和K2灰?guī)r。61116材料巷為工作面的回風(fēng)、行人巷，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面為矩形，斷面寬度×高度=4000 mm×2800 mm。巷道原設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，由于11#煤層松軟破碎，且直接頂頁(yè)巖內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，巷道掘進(jìn)期間存在圍巖變形量大的問(wèn)題。為保障圍巖穩(wěn)定，擬采用注漿加固技術(shù)，需進(jìn)行注漿加固及支護(hù)方案的研究分析。

2 注漿加固控制巷道變形分析

61116材料巷掘進(jìn)期間兩幫及頂板1 m范圍內(nèi)為煤體，11#煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，煤層強(qiáng)度低，易出現(xiàn)松軟破碎和冒頂現(xiàn)象。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的變形監(jiān)測(cè)可知，圍巖變形量大，但此時(shí)若僅僅通過(guò)提升支護(hù)強(qiáng)度的方式無(wú)法保障圍巖的穩(wěn)定，保障圍巖穩(wěn)定的首要方式是提升圍巖自身承載能力[1-3]。

注漿加固方式能夠有效提升圍巖自身的承載能力，有效改善巷道圍巖中應(yīng)力的分布情況。采用UDEC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行破碎圍巖體滯后注漿加固前后圍巖體應(yīng)力和變形特征的模擬分析。根據(jù)61116材料巷地質(zhì)條件，建立模型尺寸為寬×高=150 m×41.4 m，模型左右邊界限制其水平方向的位移，模型底邊界限制其豎直方向的位移[4-5]。

模型建立完畢后，數(shù)值模擬過(guò)程為：（1）模型初始應(yīng)力平衡；（2）一側(cè)工作面回采并計(jì)算至力學(xué)平衡；（3）開挖巷道，研究分析巷道圍巖垂直應(yīng)力和位移分布情況；（4）開挖巷道后，及時(shí)進(jìn)行滯后注漿加固的模擬，研究滯后注漿后圍巖垂直應(yīng)力和位移分布情況。

2.1 圍巖垂直應(yīng)力分布

注漿加固前后圍巖垂直應(yīng)力分布如圖1。

圖1 巷道圍巖注漿前后圍巖垂直應(yīng)力分布圖

分析圖1可知，巷道圍巖注漿加固后，巷道周邊圍巖垂直應(yīng)力明顯減小，圍巖垂直應(yīng)力最大值向深部區(qū)域轉(zhuǎn)移，巷道圍巖承受的垂直應(yīng)力分布形態(tài)呈現(xiàn)出正常的橢圓形，圍巖周圍垂直應(yīng)力分布均勻；而巷道圍巖未注漿加固時(shí)，巷道圍巖垂直應(yīng)力分布相對(duì)較為混亂，圍巖垂直應(yīng)力分布不連續(xù)，存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2 圍巖位移量

注漿加固前后，巷道掘進(jìn)和回采期間的變形量見表1。

分析表1可知，注漿加固后，巷道掘進(jìn)期間圍巖變形量大幅降低，其中巷道頂板下沉量和兩幫移近量降幅顯著，頂板下沉量的降低幅度達(dá)到65%，左幫位移量和右?guī)臀灰屏康慕档头确謩e為76.9%和76%。工作面回采期間，注漿加固后的圍巖整體變形量同樣大幅降低。巷道未采用注漿加固時(shí)，模擬時(shí)圍巖變形量大，無(wú)法滿足回采巷道的使用要求；工作面注漿加固后，有效控制了圍巖的變形，圍巖最大變形為頂板下沉量，最大值為250 mm，變形量滿足回采巷道使用需要。

表1 注漿加固前后巷道變形情況數(shù)據(jù)表

綜合分析可知，注漿加固能夠提升圍巖的整體性，提升圍巖自身的承載能力，控制巷道圍巖的變形，保障圍巖的穩(wěn)定。

3 破碎圍巖支護(hù)方案及效果

3.1 破碎圍巖支護(hù)方案

根據(jù)61116巷松軟破碎圍巖的特征，結(jié)合注漿加固對(duì)控制巷道圍巖變形的分析結(jié)果，確定巷道采用錨網(wǎng)索+滯后注漿加固的支護(hù)方案，具體支護(hù)如下：

（1）錨網(wǎng)索支護(hù)。錨桿采用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，規(guī)格參數(shù)Φ20 mm×2400 mm，頂板和兩幫的間排距分別為900 mm×800 mm、700 mm×800 mm，錨桿采用加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度為1.4 m，巷道斷面采用鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)護(hù)表。頂板錨索采用高強(qiáng)度1×7股鋼絞線，錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×7300 mm，間排距為800 mm×3200 mm，錨索采用端頭錨固，錨固長(zhǎng)度為1.7 m，錨索預(yù)緊力為150 kN，頂板每間隔4排布置一排錨索，錨索每排布置兩根。具體61116材料巷錨網(wǎng)索支護(hù)形式如圖2。

圖2 61116材料巷錨網(wǎng)索支護(hù)形式示意圖（mm）

（2）注漿加固。注漿孔每排布置4個(gè)，排距5 m。頂板布置2個(gè)，注漿孔與頂板夾角90°，距幫1.2 m處開孔，孔深4 m。采用注漿封孔器進(jìn)行封孔，封孔器長(zhǎng)度為3.5 m，封孔作業(yè)時(shí)保障封孔器與孔壁接觸密實(shí)。兩幫各布置1個(gè)孔，距底板2 m處與巷幫夾角45°，孔深3 m，封孔器距孔口2.5 m[6]。注漿加固采用水泥-水玻璃漿液，水泥漿水灰比為0.5～0.6，水泥漿與水玻璃漿液的比值為1:1，注漿作業(yè)時(shí)控制終孔注漿壓力為1.5～2.0 MPa，注漿方式為兩循環(huán)注漿。具體注漿鉆孔布置形式如圖3。

圖3 61116材料巷注漿鉆孔布置方式示意圖（mm）

注漿施工流程：① 將注漿泵、攪拌桶、無(wú)機(jī)加固材料及附件等運(yùn)至施工地點(diǎn)。②準(zhǔn)備工作就緒后，將各類管路與注漿泵及注漿花管連接好，首先泵水試驗(yàn)管路是否暢通；③ 注漿作業(yè)時(shí)應(yīng)有一個(gè)注漿備用桶，將攪拌好漿液倒到備用桶中，或一個(gè)桶攪拌，一個(gè)桶注漿。注漿設(shè)備與待注區(qū)域間的距離應(yīng)小于10 m；④ 將水泥倒入攪拌桶加水進(jìn)行攪拌，確保每桶的攪拌時(shí)間在10 min左右，并在另外一個(gè)桶內(nèi)倒入水玻璃漿液。⑤ 在注漿過(guò)程中，安排專人觀察注漿泵和孔口。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值或孔口大范圍返漿時(shí)，即可停止該孔的注漿作業(yè)，并轉(zhuǎn)移至下一注漿孔。如此循環(huán)，直至加固施工結(jié)束。⑥ 注漿完畢后及時(shí)卸壓，清洗注漿管路，將注漿管移至下一個(gè)區(qū)域進(jìn)行注漿作業(yè)。如此循環(huán)，直至全部注漿孔注漿完畢。

3.2 效果分析

61116材料巷掘進(jìn)期間，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行巷道圍巖變形情況的分析。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制出圍巖變形量曲線圖如圖4。

圖4 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形量曲線圖

分析圖4可知，61116材料巷掘進(jìn)期間，巷道圍巖變形主要出現(xiàn)在巷道掘出后的0～30 d內(nèi)。圍巖在該階段變形速率大，隨著巷道掘出時(shí)間的增大，圍巖變形速率大幅降低。當(dāng)巷道掘出40 d后，頂?shù)装寮皟蓭妥冃位静辉僭龃螅瑖鷰r變形速率基本為零，圍巖在該階段達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。最終頂板下沉量、兩幫移近量和底板鼓起量的最大值分別為38 mm、56 mm和47 mm。

4 結(jié)論

根據(jù)61116材料巷的賦存條件，通過(guò)數(shù)值模擬分析注漿加固控制巷道圍巖變形的特征，得出注漿加固能夠有效提升圍巖承載能力、降低圍巖變形量的結(jié)論，并確定了巷道采用錨網(wǎng)索+注漿加固的聯(lián)合支護(hù)方案，有效地解決了圍巖變形量大的問(wèn)題。