注漿錨索在司馬礦大變形煤巷中的應(yīng)用

曾金元，趙建軍，劉旭東，翟黨帥，張 磊

(1.潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司，山西長(zhǎng)治047105;2.河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北邯鄲056038)

1 工程地質(zhì)概況

司馬礦二采區(qū)猴車(chē)巷 (里段)沿下二疊統(tǒng)山西組下部的3號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，東西布置，南平行于二采區(qū)3條大巷依次為膠帶巷、軌道巷、回風(fēng)巷，北臨1210工作面依次平行于瓦排巷、風(fēng)巷和運(yùn)輸巷，見(jiàn)圖1猴車(chē)巷平面圖所示。

圖1 猴車(chē)巷試驗(yàn)段平面布置

受到 1210工作面采動(dòng)影響，該巷道里程2583.059～2795.459m區(qū)段變形較為嚴(yán)重，急需進(jìn)行治理及加固。且猴車(chē)巷 (里段)是二采區(qū)準(zhǔn)備巷道，所以對(duì)該巷道的治理是非常必要。

該巷道在3號(hào)煤層沿頂板掘進(jìn)，直接頂為泥巖，兩幫及底為煤層，如圖2所示。巷道圍巖總體較為軟弱、破碎。

圖2 猴車(chē)巷圍巖柱狀

2 巷道圍巖破壞及錨注加固機(jī)理

2.1 巷道圍巖破壞分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研二采區(qū)猴車(chē)巷 (里段)變形破壞情況，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖變形主要表現(xiàn)為:兩幫及頂?shù)装遄冃我平枯^大，并且變形破壞較破碎，頂板下沉變形，平均下沉量為0.5m，鋼梁發(fā)生彎曲變形，且頂板出現(xiàn)不同程度的網(wǎng)兜;兩幫移近量為1.1～1.8m，部分錨索、錨桿拉斷及鎖具脫落失效;底板裂隙發(fā)育，個(gè)別地方出現(xiàn)裂縫，鼓起范圍在0.3～1.1m之間，嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)。

巷道開(kāi)挖前，巖體處于三向受力平衡狀態(tài)，承壓環(huán)境穩(wěn)定。巷道圍巖在原巖應(yīng)力作用下，厚煤層巷道底板發(fā)生松動(dòng)破壞，其破壞范圍向深部逐漸擴(kuò)展至松動(dòng)破壞帶的極限應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)體［1］。工程開(kāi)挖后，在高于工程圍巖強(qiáng)度的圍壓作用下，工程圍巖就會(huì)產(chǎn)生破壞［2］，由原來(lái)的三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài)，破壞了原巖的應(yīng)力平衡，引起應(yīng)力的重新分布，水平應(yīng)力向頂板巖層和底板巖層轉(zhuǎn)移，垂直應(yīng)力向兩幫巖體轉(zhuǎn)移，并且在巖體深部出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)［3］。

巖體的變形破壞是巖體結(jié)構(gòu)的變形、改組和失穩(wěn)，但在本質(zhì)以及表現(xiàn)形式上與巖石的變形破壞是一致的［4－5］。圍巖的變形和破壞特征是圍巖應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度這一對(duì)矛盾共同決定的。當(dāng)應(yīng)力集中強(qiáng)度大于圍巖體弱面的強(qiáng)度時(shí)，較弱面率先表現(xiàn)出變形破壞，由表及里應(yīng)力向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，且應(yīng)力梯度有所衰減，直至出現(xiàn)新的平衡。應(yīng)力釋放引起的回彈和應(yīng)力重新調(diào)整引起的擴(kuò)容，使巷道圍巖較弱結(jié)構(gòu)面剪切滑移，從而出現(xiàn)變形破壞現(xiàn)象。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，形成此種狀況的主要原因有:

(1)頂部為泥巖，兩幫及底板為煤層，整體圍巖強(qiáng)度較低。

(2)巷道布置與最大水平應(yīng)力方向夾角接近90°，對(duì)巷道穩(wěn)定非常不利。

(3)受1210工作面采動(dòng)影響較大。

(4)巷道布置處于高應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)以及受地下水和潮濕礦井空氣的腐蝕泥化。

2.2 中空注漿錨索加固機(jī)理分析

二采區(qū)猴車(chē)巷 (里段)頂板巖孔通過(guò)窺視儀觀(guān)測(cè)了不同深度的煤巖層裂隙發(fā)育情況。圖3為鉆孔不同深度煤巖層狀況。

圖3 不同深度成像

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，根據(jù)達(dá)西定律和牛頓粘度定律分析可知注漿壓力、注漿時(shí)間和漿液擴(kuò)散半徑之間存在一定關(guān)系。注漿壓力不變，注漿時(shí)間越短則漿液擴(kuò)散半徑越小，反之，則越大。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析，注漿時(shí)間、注漿量和漿液擴(kuò)散半徑的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 注漿時(shí)間、注漿量和漿液擴(kuò)散半徑關(guān)系

根據(jù)圖4所示，注漿壓力不變，隨注漿時(shí)間變化，注漿量增長(zhǎng)速度和漿液擴(kuò)散速度的變化趨勢(shì)大致相同，開(kāi)啟注漿泵，在注漿壓力作用下漿液充填圍巖裂隙，注漿量和漿液擴(kuò)散半徑迅速增加，如圖5(a)所示。漿液填充裂隙階段結(jié)束后，注漿壓力作用下圍巖裂隙尖端伴隨有裂紋出現(xiàn)，當(dāng)圍巖裂隙尖端出現(xiàn)裂紋時(shí)開(kāi)啟注漿泵，進(jìn)行注漿，注漿時(shí)間為15min，現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)可知注漿量與漿液擴(kuò)散半徑變化不明顯，如圖5(b)所示。0.5h后圍巖裂隙尖端劈裂程度加深，并與周?chē)严缎纬韶炌ňW(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致漿液擴(kuò)散速度變大，從而擴(kuò)散半徑顯著增加，同時(shí)注漿量的增長(zhǎng)速度也變大，如圖5(c)所示。

圖5 單裂隙的劈裂及漿液擴(kuò)散

圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)發(fā)生變形破壞，待圍巖破碎到一定程度，注漿壓力的變化對(duì)漿液最終擴(kuò)散半徑和注漿量起著決定性作用，圖6為不同注漿壓力條件下漿液擴(kuò)散范圍，漿液擴(kuò)散半徑隨著注漿壓力的增大而出現(xiàn)顯著增加。

圖6 不同注漿壓力條件下漿液擴(kuò)散范圍

漿液進(jìn)入巖體內(nèi)的裂隙凝固后，在巖體裂隙內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，根據(jù)漿材對(duì)孔隙的尺寸效應(yīng)，滲透漿液的漿材顆粒尺寸dc須小于被注介質(zhì)縫隙或孔隙尺寸dp［6］，如圖7所示，在巖體內(nèi)形成薄厚不等、大小不一的脈狀網(wǎng)絡(luò)骨架，大多呈現(xiàn)為片狀或條狀的漿液凝固體，漿液凝固體之間相互連接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在具有高強(qiáng)度和黏結(jié)性網(wǎng)絡(luò)骨架的作用下，圍巖體被壓實(shí)，當(dāng)頂板來(lái)壓時(shí)，骨架支撐頂板圍巖，抵抗圍巖的變形破壞。使得頂板圍巖裂隙弱面的強(qiáng)度增加，趨向于巖體強(qiáng)度，在一定程度上控制了巖體變形破壞，提高了頂板圍巖的強(qiáng)度。

圖7 漿液骨架形狀

2.3 注漿加固效果評(píng)價(jià)

(1)網(wǎng)絡(luò)脈狀骨架作用 在注漿壓力作用下，漿液膠結(jié)圍巖裂隙，導(dǎo)致裂隙尖端產(chǎn)生裂紋，并向四周和深部發(fā)育，形成交錯(cuò)的網(wǎng)狀，并支撐破碎圍巖。

(2)粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)加固作用 提高圍巖體內(nèi)的裂隙弱面強(qiáng)度是提高圍巖體整體強(qiáng)度的先決條件。經(jīng)過(guò)漿液的充填粘結(jié)兩裂隙弱面使破碎圍巖體膠結(jié)為一個(gè)整體，在一定程度上提高了圍巖體的黏聚力、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。同時(shí)漿液填充離層間隙，凝固后使頂板形成整體組合梁并增加了錨桿、錨索的預(yù)應(yīng)力，這種粘結(jié)作用對(duì)阻止裂隙擴(kuò)展和離層有著十分重要的作用［7］。

(3)改變圍巖破壞機(jī)制 漿液的裂隙壓密充填并滲透到微裂隙中，把裂隙中賦存水排擠出去，凝固后，封堵了巖體內(nèi)部與外界潮濕環(huán)境或與水的接觸，有效防止潮濕空氣或水對(duì)巖體的泥化和腐蝕，極大地改善了圍巖的賦存環(huán)境，對(duì)保持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有重大的意義［8］。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)采動(dòng)的影響，控制頂板變形，提高頂板的支護(hù)剛度，采用中空注漿錨索、注漿管進(jìn)行加固治理方案。

根據(jù)試驗(yàn)段具體情況設(shè)計(jì)了修復(fù)加固施工方案，在巷道頂板中線(xiàn)位置打1排中空注漿錨索，規(guī)格φ22mm×7300mm，排距1800mm;兩幫中線(xiàn)位置各打1排注漿孔進(jìn)行幫部注漿，排距3000mm，深3000mm;底板3排，間排距1600mm×5000mm，深為5000mm，靠近兩幫方向外擺15°。見(jiàn)圖8。

圖8 注漿孔布置

4 中空注漿錨索施工工藝

4.1 中空注漿錨索

新型中空注漿錨索的突出特點(diǎn)為采用新型封孔技術(shù)，使注漿壓力提高20%。其參數(shù)為:頂錨索長(zhǎng)7m，安裝孔徑30mm，強(qiáng)度≥1760MPa，破斷力≥420kN，中空注漿管內(nèi)徑7.5mm、外徑10mm，注漿壓力為6.5～7.0MPa。采用復(fù)合注漿材料，即由32.5普通硅酸鹽水泥按水灰比1∶2配制成水泥漿液，加入8%的ACZ—I型水泥添加劑均勻攪拌而成。

4.2 施工工藝

注漿錨索主要施工工藝包括:

(1)鉆錨索孔 在預(yù)先設(shè)計(jì)位置，使用單體頂錨桿鉆機(jī)和支腿式幫錨桿鉆機(jī)鉆頂、幫錨索孔，孔徑為30mm。

(2)安裝中空注漿錨索及封孔 首先把止?jié){軟件管套入中空錨索限位環(huán)處，然后把2卷Z－2360型快速樹(shù)脂錨固劑用錨索慢慢推入鉆孔，進(jìn)而用錨桿機(jī)攪拌，然后套上止?jié){硬管、托盤(pán)及鎖具。

(3)張拉預(yù)緊 用張拉器把止?jié){硬管推至圍巖表面位置，封孔完畢。然后應(yīng)用氣動(dòng)板機(jī)張拉錨索，預(yù)緊力不低于120kN，保證錨索外漏長(zhǎng)度≤300mm。

(4)配料 用清水將攪拌桶沖洗干凈，按配料筒大小計(jì)算漿液配料數(shù)量，先注入清水，后向桶內(nèi)加入32.5普通硅酸鹽水泥和8%的ACZ－I添加劑。嚴(yán)格按照設(shè)定水灰比進(jìn)行添加，邊加料邊攪拌。該配料用完，即而進(jìn)行上一次循環(huán)，禁止加水、加料和注漿同時(shí)進(jìn)行。

(5)注漿 檢查注漿管路是否暢通，開(kāi)啟攪拌桶和注漿泵，邊攪拌邊注漿。為了提高注漿效果，采用間歇重復(fù)注漿，即達(dá)到注漿壓力后，關(guān)閉注漿泵，停2～3min后，重復(fù)再注，直至注漿量達(dá)到要求。

5 支護(hù)效果分析

通過(guò)淺部(工字鋼梁)和深部(注漿錨索+注漿)形成的“雙殼”支護(hù)加固體系方案實(shí)施后，在二采區(qū)猴車(chē)巷原支護(hù)段和實(shí)施中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)加固段分別進(jìn)行了巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰朴^(guān)測(cè)，觀(guān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，圖9和圖10。

表1 原支護(hù)段 (測(cè)站5)和注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)段(測(cè)站1～4)巷道表面變形對(duì)比

圖9 頂?shù)装逑鄬?duì)移近量對(duì)比圖

圖10 兩幫相對(duì)移近量比較曲線(xiàn)

使用巷道表面位移收斂?jī)x，對(duì)二采區(qū)猴車(chē)巷進(jìn)行為期28d的礦壓觀(guān)測(cè)，前14d觀(guān)測(cè)原支護(hù)段巷道頂?shù)装遄冃?，?4d觀(guān)測(cè)中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)加固后巷道頂?shù)装遄冃?，結(jié)合觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和收斂曲線(xiàn)可知，前14d內(nèi)的巷道圍巖變形嚴(yán)重，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量為123mm，平均移近速度8.8mm/d，7～14d內(nèi)兩幫相對(duì)移近量為 64mm，平均移近速度9.1mm/d;后14d內(nèi)該段巷道經(jīng)過(guò)中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)加固后，頂板和底板的相對(duì)移近量為73.25mm，平均變形速度為5.23mm/d，兩幫相對(duì)移近量為67.25mm，平均變形速度為4.8mm/d。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)60d后巷道變形速度趨于平穩(wěn)。對(duì)比分析原支護(hù)段測(cè)站5圍巖變形較顯著，頂板和底板相對(duì)移近量為312mm。而經(jīng)過(guò)中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)加固的測(cè)站1至測(cè)站4圍巖相對(duì)變形量不大，相對(duì)變形量分別為199mm，176mm，173mm，208mm，其中變形量最小的測(cè)站3相對(duì)原支護(hù)段測(cè)站5減少了將近1/2。針對(duì)二采區(qū)猴車(chē)巷松軟、破碎圍巖，實(shí)施中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)加固后起到了較好的粘結(jié)和加固作用，有效控制了頂板圍巖的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

結(jié)合司馬礦二采區(qū)猴車(chē)巷 (里段)地質(zhì)條件，分析研究了在采動(dòng)影響下圍巖變形破壞機(jī)理及中空注漿錨索控制頂板圍巖加固機(jī)理。實(shí)踐證明，中空注漿錨索在松軟、破碎圍巖巷道的應(yīng)用，極大地改善巷道圍巖巖性，提高圍巖自承能力，對(duì)巷道的穩(wěn)定性有著良好的控制作用。本研究成果解決了司馬礦松軟、破碎煤巷難控制問(wèn)題，提高現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)加固效果，保證安全生產(chǎn)，提高集團(tuán)各礦整體支護(hù)加固技術(shù)水平。

總之，以中空注漿錨索為技術(shù)實(shí)施的巷道治理方針，可提高深部巷道支護(hù)的安全可靠性，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該成果不僅適用于司馬礦區(qū)煤礦，而且還可向國(guó)內(nèi)類(lèi)似條件礦井推廣應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用借鑒前景。

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