馬蘭礦復雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)巷道注漿加固技術(shù)研究

劉青元

(山西西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 古交 030200)

1 工程概況

西山煤電集團公司馬蘭礦南五下組煤采區(qū)回風大巷平均埋深450 m，設計長度為1 380 m，沿東西方向布置，主要承擔著南五下組煤采區(qū)的回風任務。南五下組煤采區(qū)回風大巷沿8號煤層底板掘進，8號煤層位于石炭系太原組，煤層平均厚度為4.39 m，平均傾角為5°，屬近水平至緩傾斜穩(wěn)定可采厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)較復雜，含1～2層不穩(wěn)定夾矸，厚度0.03～0.17 m，煤層普氏硬度1.6。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

南五下組煤采區(qū)回風大巷斷面為直墻半圓拱形，其中，巷道寬度4.7 m，直墻高度1.7 m，拱高2.5 m。根據(jù)地質(zhì)勘探報告，回風大巷掘進過程中先后揭露F10斷層、F12斷層、X11陷落柱、X16陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造帶。由于地質(zhì)構(gòu)造帶內(nèi)圍巖松軟破碎，且構(gòu)造應力集中，導致巷道變形嚴重，現(xiàn)有支護條件無法保證巷道的穩(wěn)定性，需對巷道圍巖采取注漿加固技術(shù)。

2 定量注漿加固理論分析

根據(jù)圍巖鉆探結(jié)果，南五下組煤采區(qū)回風大巷陷落柱區(qū)域的圍巖主要以黃土及碎矸石組成，斷層帶區(qū)域的圍巖主要以斷層泥及礫石組成，均為軟弱土層圍巖，因此，選擇劈裂注漿為此次注漿加固的主要方式。

對巷道破碎圍巖進行注漿后，漿液膠結(jié)破碎巖塊在巷道周圍形成具有一定承載能力的殼體，保護巷道的穩(wěn)定性。為便于受力分析，采用圓環(huán)力學模型代替巷道，注漿形成的殼體環(huán)向分布有均布載荷，如圖1(a)所示。取殼體圓環(huán)的一半為研究對象，建立復雜構(gòu)造下殼體臨界破壞載荷的力學模型，如圖1(b)所示。

圖1(b)中的曲線ABD為原殼體在臨界載荷的作用下彎曲變形后的平衡狀態(tài)。圖1中，r1為注漿巷道等效半徑，m；l為每次注漿加固的長度；qcr為殼體破壞的臨界載荷；q為破碎圍巖對殼體的壓應力，kN；h為殼體等效厚度，m；θ為殼體任意一點與水平線的夾角，(°)。

根據(jù)殼體注漿加固理論，殼體保證巷道穩(wěn)定性的臨界厚度h臨可由公式(1)確定：

(1)

巷道采用全斷面注漿時，構(gòu)造區(qū)域圍巖的最少注漿量Q可由公式(2)確定：

Q=Aρπl(wèi)h臨ηλ(h+2r1)

(2)

式中：qk為作用在巷道圍巖上的應力，kN；q0為巷道原支護結(jié)構(gòu)所提供的的支護阻力，kN；E1為圍巖注漿加固后的彈性模量，MPa；A為注漿過程中的漿液漏失率，取1.3；ρ為漿液密度，kg/m3；η為構(gòu)造段圍巖裂隙分布率，取4%；λ為漿液充實率，取0.8。

3 漿液擴散規(guī)律分析

3.1 建立模型

在復雜構(gòu)造區(qū)域進行注漿時，漿液的擴散受諸多因素的影響。為使模擬效果貼合實際，采用離散元數(shù)值模擬軟件3DEC中的隨機裂隙網(wǎng)格(DFN)模型進行模擬分析。建立的模型長、寬、高均為10 m，通過命令在模型中部平行于Y軸的方向生成鉆孔，并在鉆孔環(huán)向施加均布載荷模擬注漿壓力。建立的模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型

模型生成后，結(jié)合實際工程條件，模擬分析不同注漿壓力下的漿液擴散規(guī)律，其中設置注漿壓力為1～6 MPa。

3.2 注漿壓力對漿液擴散的影響

不同注漿壓力下漿液擴散形態(tài)的模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同注漿壓力下漿液擴散形態(tài)

由圖3可知，漿液以鉆孔為中心在破碎圍巖內(nèi)呈球形向外擴散，且隨著注漿壓力的增加，漿液的擴散半徑也逐漸增大。由于漿液存在一定粘稠性，加之破碎圍巖裂隙的阻力，會使?jié){液的擴散壓力逐漸衰減，進而形成局部的梯度壓力。注漿壓力為1 MPa時，漿液擴散半徑為1.0 m，注漿壓力增大至2 MPa時，漿液擴散半徑為1.5 m，較1 MPa注漿壓力下增加了50%；而注漿壓力從5 MPa增加到6 MPa時，漿液的擴散半徑由2.69 m增高至3.0 m，增幅率僅為11.5%，由此可知，漿液擴散半徑的增幅率會隨著注漿壓力的增加而逐漸減小。

綜上分析可知，6 MPa注漿壓力下的漿液擴散半徑是1 MPa注漿壓力下的3倍，但漿液擴散半徑的增幅率較低。

4 注漿加固方案

1) 注漿深度。合理注漿深度應覆蓋巷道的臨界殼體，根據(jù)普式拱理論，結(jié)合巷道構(gòu)造區(qū)域的圍巖特征，得出構(gòu)造區(qū)域圍巖承載的最大應力qk=117.23 kN/m2。結(jié)合目前巷道的支護條件，取原支護阻力q0=52.08 kN/m2；注漿巷道的等效半徑r1=2.2 m。通過試驗，得到圍巖注漿加固后的彈性模量E1=5.1 MPa，將上述數(shù)據(jù)代入公式(1)，得到殼體保證巷道穩(wěn)定性的臨界厚度h臨=2.3 m，考慮施工現(xiàn)場環(huán)境復雜，最終確定為3.0 m的注漿深度。

2) 注漿壓力。基于數(shù)值模擬結(jié)果，注漿壓力為6 MPa時，漿液的擴散半徑為3.0 m，高于殼體的臨界厚度，結(jié)合現(xiàn)場圍巖條件確定注漿終孔壓力為6 MPa。

3) 注漿鉆孔布置。在巷道全斷面內(nèi)共施工7個鉆孔，鉆孔孔徑D44 mm，孔深3 000 mm，沿掘進方向排距為3 000 mm。其中，頂板鉆孔重合于巷道中軸線，垂直頂板施工；兩幫鉆孔距底板1 500 mm，垂直巷幫施工；拱肩窩處距巷幫鉆孔1 500 mm各施工1個鉆孔，鉆孔仰斜與水平線呈20°夾角；底板鉆孔距巷幫底角1 400 mm，下扎45°施工。具體鉆孔布置如圖4所示。

4) 注漿量。根據(jù)殼體臨界厚度及實際圍巖條件，取殼體等效厚度h=3.0 m，漿液密度ρ=1 585 kg/m3，代入公式(2)可得延米巷道需注漿0.62 t，換算到每個注漿孔需注漿0.27 t。

5) 注漿結(jié)束標準。單孔注漿壓力達到6 MPa或者注漿量達到0.27 t時，即可停止注漿，并進行封孔，封孔時需保證孔口封堵嚴密，防止?jié){液漏出。

圖4 注漿孔布置示意(mm)

5 應用效果分析

為分析南五下組煤采區(qū)回風大巷的注漿加固效果，采用十字布點法對巷道表面位移進行監(jiān)測，監(jiān)測周期40 d，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，巷道在原有支護條件下變形量大，且并無穩(wěn)定的趨勢，其頂板最大下沉量達250 mm，兩幫最大移近量達330 mm，底鼓量最大為190 mm；巷道注漿加固完成后，巷道的變形在注漿后30 d逐漸趨于平穩(wěn)，其中，頂板最大下沉量為46 mm，兩幫最大移近量為95 mm，最大底鼓量為50 mm，較原支護條件下分別降低了81.6%、71.2%、73.7%，說明該方案有效控制了巷道構(gòu)造區(qū)域的變形。

圖5 巷道位移監(jiān)測曲線圖

6 結(jié) 語

根據(jù)馬蘭礦南五下組煤采區(qū)回風大巷的賦存特征，對巷道圍巖注漿加固的機理進行分析，建立了殼體臨界破壞力學模型，并給出了保證巷道穩(wěn)定性的臨界殼體厚度及最少注漿量的表達式。利用3DEC數(shù)值模擬軟件模擬分析了注漿壓力對漿液擴散規(guī)律的影響，結(jié)合理論表達式確定出合理注漿深度為3 m，最少注漿量為0.62 t，注漿壓力為6 MPa，并對注漿鉆孔的布置方案進行了設計。現(xiàn)場應用結(jié)果表明，對巷道實施該注漿加固方案后，圍巖的變形得到了有效控制，滿足礦井的正常生產(chǎn)需求。