長平礦底抽巷破碎圍巖注漿加固技術研究

史文龍

（晉城宏圣金成礦山建筑工程有限責任公司，山西 晉城 048000）

1 概況

晉能控股集團長平礦5304 工作面底抽1 巷，巷道尺寸為5 m（寬）×3.3 m（高），巷道頂板為K7 砂巖或砂質泥巖[1]，巷幫為泥巖巖層，泥巖巖層受風化和水的影響顯著。為了預抽瓦斯，需要在底抽巷巷幫及頂板表面斜向上打設密集的上行Ф113 mm 抽采鉆孔，鉆孔示意圖如圖1。鉆孔的施工擾動和工程用水的水化作用進一步破壞了底抽巷圍巖的完整性，導致抽采鉆場施工的1～3 個月后底抽巷圍巖變形嚴重，部分區域頂板最大下沉量約0.7～1.0 m，影響了巷道的安全使用。

圖1 5304 底抽1 巷上行鉆孔布置剖面圖（m）

2 底抽巷圍巖穩定性分析

2.1 圍巖礦物成分分析

在5304 底抽1 巷距巷道開口500～700 m 之間的3 處掘進面取樣，每處掘進面各采3 塊泥巖立方塊體，立方塊體最小尺寸不小于15 cm，累計泥巖立方塊體9 塊。將所取試樣的X 射線衍射數據與礦物的標準X 射線衍射數據對比，得到試樣中的礦物種類見表1。由表1 可知，5304 底抽1 巷泥巖試樣中含有的礦物主要有石英、鉀長石、鈉長石、方解石、白云石、菱鐵礦、非晶質礦物和黏土礦物等，其中黏土類礦物總占比達52.6%。由此表明，5304 底抽1 巷泥巖將對底抽巷穩定性產生顯著影響，應采取科學合理的措施將其影響降至最低，保障底抽巷的安全服務。

表1 礦物種類、含量及黏土礦物總量統計表 %

2.2 瓦斯鉆場及浸水擾動下底抽巷穩定性分析

現場踏勘及實驗測試結果表明，五盤區底抽巷泥巖是典型的裂隙化軟巖巖層，該泥巖巖層含有大量的宏細觀裂隙，宏觀裂隙間距基本為厘米級，徒手或敲擊下較容易沿其宏觀裂隙斷裂[2]，其自然和飽和單軸抗壓強度分別為20.7 MPa 和14 MPa，軟化系數為0.68，自然和飽和抗拉強度為1.57 MPa和0.92 MPa，軟化系數為0.59。地應力測試結果表明，五盤區底抽巷平均埋深700 m，最大埋深已超過800 m，最大水平地應力側壓力系數為0.88～1.35，最小水平地應力側壓力系數為0.42～0.65，具有顯著的水平構造地應力特征。底抽巷打設的密集大直徑上行抽采鉆孔嚴重破壞了底抽巷兩幫頂板巖層的完整性，顯著降低了底抽巷圍巖的強度及剛度，再加之底抽巷上行瓦斯抽采鉆孔在打設期間會向鉆孔注入大量的工程用水，上行瓦斯抽采鉆孔在負壓抽采期間上方巖層及煤層的裂隙水將流入抽采鉆孔，在工程用水和巖層裂隙水的長期浸入作用下，裂隙化泥巖將產生膨脹、崩解，進一步加劇了底抽巷圍巖完整性的破壞和長期強度及剛度的損傷弱化。

為了有效控制以上因素對底抽巷圍巖的破壞，擬采用注漿技術加固圍巖，通過數值模擬對浸水擾動下圍巖注漿加固效果進行分析，得到的底抽巷頂板蠕變沉降曲線如圖2。

圖2 注漿加固后底抽巷頂板蠕變沉降曲線

由圖2 可知，底抽巷采取注漿加固措施后，12個月內巷道圍巖變形增幅僅為6.9%，且4 個月后蠕變變形已收斂，表明注漿加固對控制底抽巷圍巖變形起到顯著效果，因此設計底抽巷圍巖注漿加固方案來控制其圍巖變形破壞。

3 底抽巷圍巖注漿加固方案

3.1 底抽巷圍巖超前預注漿

注漿孔布置：鉆孔孔徑為42 mm，鉆孔長度為6000 mm，封孔長度為1000 mm。在5304 底抽1 巷掘進迎頭布置11 個注漿鉆孔，分為上、中、下三排。上排5 個鉆孔，鉆孔距離巷道頂板500 m，鉆孔間距1000 mm；中間布置3 個鉆孔，鉆孔距離巷道底板1650 mm，鉆孔間距2000 mm；下排布置3 個鉆孔，鉆孔距離巷道底板500 mm，鉆孔間距2000 mm。注漿鉆孔均垂直巷道迎頭煤壁打設，鉆孔布置如圖3。

圖3 底抽巷超前預注漿鉆孔布置（mm）

超前預注漿以6000 mm 為一個注漿循環，掘進6000 mm 后進行下一輪注漿，待注漿完成，迎頭前方圍巖受到漿液加固后再進行下一循環掘進。

注漿材料：采用聯邦雙液無機注漿材料，正常注漿水灰比為0.8:1，注漿過程中漏漿嚴重時可適當降低漿液水灰比，最低控制在0.7:1，注漿封孔水灰比為0.7:1[3]。

注漿設備：采用2ZBQ 型注漿氣動泵注漿，攪拌桶為QB150 氣動式注漿攪拌桶[4]。

3.2 底抽巷巷幫注漿加固

巷幫注漿加固的注漿材料和注漿設備與超前預注漿所用材料和設備相同。

注漿鉆孔的空間展布位于已施工的相鄰抽采鉆孔之間，注漿鉆孔孔徑為42 mm，鉆孔長度為6000 mm，封孔長度為1000 mm。根據抽采孔或觀測孔是否返漿來確定注漿終止時間。瓦斯抽采鉆孔施工完成后即開始巷幫注漿，通過漿液加固巷幫的破碎圍巖。

3.3 注漿加固效果模擬分析

采用FLAC3D數值模擬軟件對注漿方案的加固效果進行分析，圖4 給出了底抽巷破碎圍巖的數值模擬結果。從中可清晰地看出，采用該注漿方案后底抽巷圍巖變形大幅度減小，注漿加固后頂板最大下沉量為294 mm，未注漿條件下底抽巷頂板最大下沉量達986 mm，頂板下沉量增幅達235%，存在大概率冒頂的危險。從底抽巷圍巖變形角度來看，該注漿方案顯著抑制了底抽巷頂板的沉降變形，提高了底抽巷裂隙化泥巖的完整性、強度和抗變形能力。

圖4 底抽巷圍巖總位移云圖

4 現場試驗效果

5304 底抽1 巷距巷口340～450 m 區域內存在SF421 正斷層與SF312 延伸斷層的組合斷層，組合斷層斷距約14 m，在該區域進行注漿加固試驗。現場礦壓觀測發現，瓦斯抽采鉆場打設前頂板最大沉降變形90 mm，兩幫最大移近量110 mm；瓦斯抽采鉆場打設后其變形更為顯著，瓦斯抽采鉆場打設2 個月后頂板最大沉降變形接近190 mm，兩幫最大移近量210 mm。注漿加固一個月后其圍巖變形速度開始變緩，至注漿加固三個月后該區域變形已趨于穩定，此時頂板最大沉降變形為260 mm，頂底板移近量為410 mm，兩幫移近量為305 mm，最大淺部和深部離層分別為92 mm 和105 mm，滿足巷道安全使用的要求。如圖5。

圖5 底抽巷注漿試驗段變形趨勢曲線

5 結論

通過對5304 底抽1 巷圍巖進行礦物成分分析，得到了圍巖中黏土類礦物成分含量，分析了底抽巷在瓦斯抽采鉆場及浸水擾動作用下的穩定性，設計了底抽巷圍巖超前預注漿和巷幫注漿的加固方案，并通過數值模擬分析了注漿加固效果。現場試驗表明，注漿加固三個月后底抽巷圍巖變形趨于穩定，巷道變形量和頂板離層量均滿足巷道安全使用的要求。由此可見，注漿加固是解決底抽巷圍巖受風化和水化、抽采鉆場擾動等破碎變形失穩的有效措施，為長平礦底抽巷圍巖控制提供了參考。