回采巷道掘進過破碎帶注漿加固技術(shù)研究

張 磊

（汾西礦業(yè)集團高陽煤礦，山西 孝義 032300）

隨著礦井開采深度以及強度的增加，煤炭采掘活動受地應力影響更為顯著。巷道開挖掘進后，圍巖在地應力作用下破碎程度有所增加，尤其是在巷道掘進揭露斷層或者受采動壓力影響時，巷道圍巖破碎程度更為顯著，巷道圍巖變形量加劇、支護難度增加。注漿加固是提高破碎圍巖穩(wěn)定性以及強度的重要措施，可改善圍巖控制效果[1-3]。大量工程實踐應用表明，采用金屬支架或者長錨索支護可以在一定程度上控制破碎圍巖變形，但是也存在巷道圍巖后期變形量大問題。注漿可提高巖體強度，并改善支護體系中錨桿受力狀態(tài)，從而提高破碎圍巖控制能力。本文以山西某礦11203 工作面回風巷掘進為工程背景，針對巷道圍巖破碎問題，提出采用注漿方式加固圍巖的方案，現(xiàn)場取得較為顯著的圍巖控制效果。

1 工程概況

11203 工作面設(shè)計開采11 號煤層，煤層厚度平均為2.8 m，采用綜采開采工藝。11203 回風巷為矩形斷面（巷寬4.0 m、巷高2.8 m），采用綜掘方式沿著煤層底板掘進，11 號煤層頂?shù)装鍘r性均為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。根據(jù)已有資料顯示，11203 回風巷掘進至430 m時會揭露斜穿采面的F4 斷層，斷層落差介于6～10 m間，預計影響巷道掘進范圍約48 m。巷道在掘進穿越斷層影響區(qū)時存在圍巖破碎問題，給圍巖控制帶來較大影響。具體掘進巷道與斷層位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 掘進巷道與斷層位置關(guān)系

為準確掌握巷道掘進至斷層破碎帶內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育情況，采用鉆孔窺視儀對巷道圍巖進行探測[4]，具體獲取到的淺部圍巖破碎情況如圖2 所示。從鉆孔窺視結(jié)果看出，11203 回風巷淺部區(qū)域煤巖體破碎，發(fā)育有大量的走向、環(huán)向裂隙，同時裂隙縱橫交錯，甚至局部范圍出現(xiàn)空洞、塌孔等情況，破碎圍巖會顯著影響回風巷穩(wěn)定性。為此，提出采用注漿方式對圍巖內(nèi)空洞、裂隙進行充填，以改善圍巖結(jié)構(gòu)及力學性質(zhì)。

圖2 淺部圍巖破碎情況

2 巷道破碎圍巖注漿加固

2.1 注漿加固工藝

根據(jù)11203 回風巷實際情況，采用的注漿加固工藝為：注漿鉆孔施工→安裝錨索→錨索固定→加固注漿。采用氣動鉆機施工注漿鉆孔，鉆孔孔徑為32 mm，注漿孔間間距為1 000 mm。錨索安裝完成后，采用端頭錨固方案將錨索端頭錨固到頂板穩(wěn)定巖層中；錨桿鉆孔施工孔徑為42 mm、錨桿鉆孔間隔為1 000 mm。錨索以及錨桿鉆孔施工完成后，取下錨索尾端的絲堵，并通過高壓軟管將錨索端以及高壓注漿泵進行連接[5]；檢測各個連接口是否存在泄漏情況，確保各處連接完好后，開啟注漿泵進行注漿加固，注漿過程中應依據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整注漿壓力。注漿過程中注漿材料應滿足快速凝固以及流動性等需求，為此，注漿材料選擇使用砂子、水泥以及石子混合物，三者質(zhì)量比控制在2∶1∶1，這樣在注漿期間既可滿足流動性需要又可實現(xiàn)快速凝結(jié)。具體11203 回風巷內(nèi)注漿鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 注漿鉆孔布置示意圖（mm）

2.2 注漿參數(shù)確定

破碎巷道圍巖注漿加固效果與注漿壓力、注漿鉆孔孔深、單孔注漿量等密切相關(guān)，注漿參數(shù)是否合理直接影響注漿效果以及注漿安全性[6]。因此，依據(jù)11203 回風巷實際情況，在以往注漿參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上，采用理論計算方法對注漿參數(shù)進行設(shè)計。

2.2.1 注漿壓力確定

注漿壓力直接影響注漿可靠性以及注漿效率，具體注漿壓力可通過下述公式進行計算：

式中：p 為鉆孔注漿壓力，MPa；K 為壓力系數(shù)，MPa/m；L 為注漿加固區(qū)域圍巖松動深度，m。

根據(jù)11203 回風巷情況，取K=1.5 MPa/m、L=5.0 m，計算得到p=7.5 MPa。

2.2.2 注漿孔深

注漿深度直接影響鉆孔注漿量以及注漿后圍巖可靠性，注漿深度不足會導致注漿效果不佳問題，注漿深度過大則面臨注漿耗時長、注漿量多以及注漿工程量大等問題，并影響注漿加固經(jīng)濟性。合理的注漿深度L1應大于巷道掘進時引起的圍巖松動深度，具體可通過下述公式計算：

式中：r 為巷道半徑，m；C 為巷道圍巖地應力，MPa；p1為圍巖抗壓應力，MPa；p2為圍巖支護反作用力，MPa；注漿期間忽略注漿壓力，取值0；α 表示圍巖內(nèi)摩擦角，（°）。

根據(jù)11203 回風巷現(xiàn)場實際條件，取值r=2.0 m、C=2.5 MPa、p1=150 MPa、p2=0 MPa、α=30°，將上述參數(shù)帶入到公式（2）中，即可求得L1=8.5 m。因此，將11203 回風巷圍巖注漿深度控制在8.5 m。

2.2.3 單孔注漿量

注漿鉆孔單孔注漿量Q 可通過下述公式計算：

式中：R 為注漿鉆孔注漿漿液有效擴散區(qū)半徑，m；λ為注漿漿液充填系數(shù)，無量綱；β 為注漿漿液消耗系數(shù)，無量綱；n 為注漿加固范圍內(nèi)圍巖孔隙率，無量綱。

根據(jù)11203 回風巷現(xiàn)場實際條件，取R=1.5 m、λ=0.8、β=1.1、n=0.04，將上述參數(shù)帶入公式（3），即可求得Q=2.1 m3。

3 巷道破碎圍巖注漿加固效果分析

在11203 回風巷掘進通過F4 斷層破碎帶期間，間隔20 m 布置測點，對巷道頂板以及巷幫變形進行監(jiān)測[7-8]。從監(jiān)測結(jié)果可看出，巷道掘進過破碎帶時，采取所設(shè)計方案進行注漿加固后10 d，圍巖變形即趨于穩(wěn)定，期間監(jiān)測發(fā)現(xiàn)頂板、巷幫最大變形量分別為45 mm、37 mm，圍巖變形量較小。同時巷道掘進過破碎帶期間頂板有冒落或者冒頂?shù)日髡祝诂F(xiàn)場取得了較好的注漿加固效果。

4 結(jié)論

1）11203 回風巷掘進通過F4 斷層破碎帶期間面臨圍巖穩(wěn)定性差、破碎等問題。為確保巷道掘進以及后續(xù)使用安全，提出采用注漿方式對圍巖進行加固，并依據(jù)巷道實際地質(zhì)條件，通過理論計算方法確定鉆孔最佳注漿深度為8.5 m、注漿壓力為7.8 MPa、單孔注漿量為2.1 m3。

2）采用文中所提的注漿加固方案后，11203 回風巷在過斷層破碎帶期間，圍巖在注漿加固10 d 后即趨于穩(wěn)定，期間頂板、巷幫最大變形量分別為45 mm、37 mm，取得了較好的圍巖控制效果。