強礦壓弱結構圍巖控制技術研究與應用

文/趙 浩

隨著礦井開采向深部延伸，礦井開采強度不斷增加，煤礦生產地質條件日趨復雜，復雜困難條件下的深部高地應力、強烈采動影響、松軟破碎圍巖巷道及特大斷面巷道和硐室等所占比例越來越大，巷道維護困難已成為制約煤礦安全高效開采的瓶頸。因此，巷道圍巖控制成為煤礦開采中亟待解決的關鍵問題之一。而保持巷道暢通與圍巖穩定是巷道圍巖控制的根本目的與任務。針對礦井高應力、圍巖弱面結構、高泥質圍巖特點，山東能源魯西礦業集團單縣能源公司采用“破碎圍巖注漿加固+巷道分步掘進”的圍巖控制技術，有效解決了高應力、大傾角軟巖巷道圍巖控制難題。

一、概況

單縣能源公司3402軌道順槽埋深-920～-960m，巷道斷面形狀為不規則矩形斷面，巷道荒斷面面積19.4m2，原支護設計形式為“錨+網+索”支護。工作面直接頂、底均為泥質膠結的粉砂巖，層面光滑，遇震動易冒落。由于巷道埋深大、圍巖整體性差、原巖應力較高等原因，在原支護形式和施工工藝下，巷道變形嚴重，嚴重制約了礦井生產接續及安全生產。針對此問題，決定在3402軌道順槽采用“頂板注漿加固+分步掘進”技術對圍巖進行控制。

二、注漿加固技術

1.注漿加固技術作用機理

（1）壓密作用。在漿液被壓入的過程中，將對地層產生擠壓，從而使那些無法進入漿液的細小裂隙或孔隙受到壓縮、擠密，使地層密實性和力學性能都得到提高。

（2）充填作用。漿液凝結的結石將地層空隙充填起來，可以阻止水通過，提高地層密實性。

（3）黏合作用。注漿漿液的膠凝性質可以使已經脫開的巖塊裂縫充填并黏合在一起，使其聯合承載力得到提高。

（4）固化作用。注漿所使用的注漿材料可與地層中的粘土等松軟物質發生化學反應，將其凝固成堅固的“類巖體”。

通過注漿加固，達到提高圍巖整體性，改善圍巖力學性能，增強圍巖承載能力的作用。

2.注漿材料選取及注漿設備

（1）3402軌道順槽頂板注漿選用直徑22mm，長度2800mm的中空注漿錨桿，采用兩塊MSK2350型錨固劑進行錨固，并選用楔形塞進行注漿孔封堵。

（2）合理選用注漿材料是注漿成效的關鍵，也決定了注漿加固技術的經濟合理性。注漿材料的選擇要充分考慮以下因素：

①漿液粘度低、流動性好、可注性好，能較好地注入裂隙中。

②穩定性好，常溫下不改變性質且無毒，不易燃燒。

③漿液凝固時間可以調控，當凝固時能夠迅速完成。

④漿液固結時無收縮現象，固化后與巖石具有粘結性能。

⑤對注漿設備、橡膠制品的管路無腐蝕性，且容易清洗。

⑥注漿工藝簡單，施工操作方便，安全可靠。

綜合考慮3402軌道全順槽地質情況及現場實際，注漿材料選用單液水泥漿，注漿水泥采用425#標號普通硅酸鹽水泥。

（3）注漿設備選用XZS80/100單液漿泵。由注漿泵將定量配比槽中漿液通過主干管、軟管、注漿錨桿連接器注至注漿錨桿中。

3.數值模擬確定注漿參數

注漿擴散半徑決定了注漿工程質量和注漿施工進度。根據注漿加固地點實際地質情況與巖性分析，采用數值模擬分析的方法，選取不同水灰比（水灰比取1∶1、0.8∶1、0.7∶1、0.6∶1、0.5∶1五種比例）和不同壓力下，注漿擴散半徑的情況，并通過綜合分析最終確定了水灰比濃度及注漿后終孔壓力。

通過分析可知，注漿擴散半徑隨著注漿壓力與水灰比濃度的增大而增大；注漿擴散半徑在二者共同作用時，注漿壓力影響相對較大。但壓力達到一定值時，如注漿壓力繼續升高，注漿擴散半徑受其影響呈下降趨勢（注漿壓力1～3MPa時，注漿擴散半徑隨著壓力增大而增大；注漿壓力超過3MPa時，注漿擴散半徑受壓力影響呈下降趨勢）；水灰比配比（五種配比）在固定注漿壓力值時（注漿擴散半徑在壓力作用下增長幅度達到峰值時的注漿壓力為最優注漿壓力，根據分析取3MPa）均能夠向圍巖破壞嚴重段，裂隙發育較充分處擴散。根據現場試驗時注漿量及擴散半徑等參數，當水灰比為0.7∶1至0.8∶1時充填裂隙最好。

通過綜合分析與現場試驗確定：注漿水灰比取0.75∶1，注漿壓力取3MPa，注漿錨桿布置于原支護兩排錨桿之間，注漿錨桿間距2m，排距1.6m，圍巖較為破碎段注漿前先對頂板進行噴漿，作為起壓墊，避免注漿過程中出現跑漿情況。

三、巷道分步掘進技術

由于深井軟巖巷道兩幫煤體松軟破碎，如果巷道斷面一次成型，在錨桿支護的過程中，巷道高幫會頻繁發生片幫現象。為能夠有效控制巷道高幫的片幫，可以采用分步開挖巷道斷面的方法來控制巷道片幫。

對高幫進行分步開挖研究，開挖高度以中高來表示，并初步確定了四個分步開挖方案。

方案一：巷道高幫一次挖完，不分步開挖。

方案二：巷道中高開挖0.7m，臺階寬度為2.2m。

方案三：巷道中高開挖1.5m，臺階寬度為2.2m。

方案四：巷道中高開挖2.1m，臺階寬度為2.2m。

通過現場試驗，方案四能夠在確保巷道掘進單進及效率的情況下，分步開挖巷道高幫時，巷道圍巖應力狀態得到改善，高幫變形量明顯減小，片幫情況明顯減弱，尤其是高幫與頂板較近的位置，其片幫得到了很大程度的改善。

四、礦壓分析

為了分析注漿加固和分步掘進后，巷道圍巖變形情況，在采用注漿加固和分步掘進段設置了圍巖觀測站，每20m設置一個測站，在每個測站頂、底板和兩幫中部各布置一個測點，每7天觀測一次頂、底板和兩幫相對移近量及相近移近速度。為盡可能真實地反映開挖條件下巷道圍巖的變形特征，各監測斷面均靠近施工迎頭，隨著巷道的開挖掘進，對巷道圍巖變形情況進行實時監測。

通過對巷道圍巖變形情況觀測及分析可知：巷道采用注漿加固和分布掘進工藝后，巷道頂板、底板、幫部圍巖變形曲線在20天左右逐漸趨于平穩，巷道變形量較采用該種工藝前明顯減小，且變形量在合理區間范圍內。由此可知，采用注漿加固和分布掘進工藝有效改善了圍巖狀態，提高了巷道承載強度。巷道表面位移量變化曲線如圖1所示。

圖1 巷道表面位移量變化趨勢分析圖

五、結論

深井不穩定煤層由于圍巖穩定性控制難度大，頂板巖層穩定性差，抗壓強度弱，且巷道圍巖破壞具有時間效應明顯、境感知敏感、受應力擾動影響大等特點，是煤礦開采向深部延伸時急需解決的支護難題。注漿加固技術有效提高了圍巖承載強度，改善了圍巖力學性能，提高了圍巖的整體性，形成了承載結構，有效控制了巷道的變形。分步開挖巷道高幫時，巷道圍巖應力狀態得到改善，高幫變形減小，片幫減弱，尤其是高幫與頂板較近的位置，其片幫得到了很大程度的改善。“頂板注漿加固+分步掘進”技術對高地應力、弱面結構、破碎圍巖支護具有一定的借鑒意義。