山西某煤礦泥質(zhì)軟巖巷道錨注加固技術(shù)

常景保

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底煤礦)

山西某煤礦井下行人下山、總回風(fēng)下山、膠帶下山以及軌道下山(以下統(tǒng)稱“集中下山”)位于8#煤層及其頂?shù)装甯浇?，由于所處的煤巖層巖性較軟，易受到原巖應(yīng)力和采煤工作面超前支承壓力的影響而產(chǎn)生較大變形甚至破壞，需采取維修(甚至多次維修)措施方可確保巷道穩(wěn)定[1-3]。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該礦巷道的破壞形態(tài)與巷道初期支護(hù)方式、圍巖巖性和采煤工作面開采引起的圍巖應(yīng)力環(huán)境變化密切相關(guān)[4-5]。該礦以往的巷道返修方案主要采取2種支護(hù)形式：一是高強(qiáng)錨網(wǎng)索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；二是全斷面長錨索并采用注漿錨桿對(duì)巷道兩幫注水泥漿加固?，F(xiàn)場實(shí)踐表明，加固后的巷道雖然在短期內(nèi)穩(wěn)定性較好，但隨著時(shí)間推移，穩(wěn)定性逐步下降[6-7]。由于集中下山還將服務(wù)于8#煤層上部的5#煤層，故而必將受到5#煤層采煤工作面的動(dòng)壓影響。本研究在現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場條件并借鑒該礦以往巷道加固經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)集中下山巖性軟、高應(yīng)力、泥質(zhì)巖類分布廣的特點(diǎn)，遵循“經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、效果顯著”的原則，擬在高強(qiáng)高預(yù)緊力錨網(wǎng)索支護(hù)[8]的基礎(chǔ)上，采用整體高壓注漿加固方案對(duì)集中下山進(jìn)行全面維護(hù)，力求保持巷道長期穩(wěn)定。

1 工程概況

該礦集中下山主要位于8#煤層內(nèi)及其頂?shù)装甯浇?，自西向東依次為行人下山、總回風(fēng)下山、膠帶下山及軌道下山，并且自西向東距采煤工作面停采線越來越近(圖1)。在上述4條下山中，總回風(fēng)下山回風(fēng)，風(fēng)流濕度較大，其余下山進(jìn)風(fēng)。本研究注漿試驗(yàn)巷道選擇在8215軌道車場附近，自8215瓦斯抽放泵站至8215水泵房聯(lián)絡(luò)巷之間長100 m的巷道(圖1)。8#煤層層位穩(wěn)定，煤層厚度0.20～ 7.96 m，平均厚度4.70 m，最大可采厚度7.30 m，其厚度變化規(guī)律為井田東部薄、西部厚，上中部較厚、下部較薄。該煤層傾角5°～10°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般含夾矸1～2層，夾矸厚度為0.05～0.3 m，巖性為砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖等。煤層干燥狀態(tài)抗壓強(qiáng)度為27.45 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度為10.54 MPa，軟化系數(shù)為0.38，天然抗拉強(qiáng)度為0.87 MPa。8#煤層普氏硬度系數(shù)小于3，具有脆性但韌性欠佳，難于軟化，易受沖擊而破碎。

圖1 試驗(yàn)巷道分布

根據(jù)相關(guān)勘探報(bào)告，8#煤層頂?shù)装甯浇植加蟹凵皫r、泥巖及互層巖組，主要由粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及薄煤層組成。巖體內(nèi)部黏土礦物和有機(jī)質(zhì)含量較高，并發(fā)育較多的水平層理、節(jié)理裂隙和滑面等結(jié)構(gòu)面，干燥狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為9.64～87.55 MPa，平均為45.60 MPa，浸水或長時(shí)間暴露于空氣中的巖石多沿層理方向離析成薄片，飽和抗壓強(qiáng)度為6.77～34.85 MPa，平均為 22.64 MPa，軟化系數(shù)平均為0.51，屬半堅(jiān)硬巖石，表現(xiàn)出穩(wěn)定性差的特點(diǎn)。

8#煤層偽頂巖性多為灰黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖，厚度較?。恢苯禹攷r性為易垮落的軟弱泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，厚約2.0 m；基本頂巖性為中等垮落半堅(jiān)硬中—粗粒砂巖，厚約11 m；底板巖性為灰褐色鋁土質(zhì)泥巖，屬于軟弱巖層，遇水易膨脹且底鼓明顯，根據(jù)礦井實(shí)測數(shù)據(jù)，底鼓量最大值大于1 m。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，局部區(qū)域進(jìn)、回風(fēng)下山之間有輕微漏風(fēng)現(xiàn)象，與8#煤層在高應(yīng)力作用下易沖擊破碎的性質(zhì)有關(guān)。下山中的局部巷道變形特征及總回風(fēng)下山嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象與泥質(zhì)巖類在高應(yīng)力作用下的軟巖破壞特征一致，易發(fā)生屈服破壞、吸水泥化或膨脹等。

2 巷道變形破壞特征及原因

2.1 巷道變形破壞特征

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該礦集中下山巷道變形程度與巷道圍巖特征、采煤工作面停采線位置、采煤工作面性質(zhì)(工作面尺寸、跳采面或孤島面)、初期支護(hù)方式(等強(qiáng)螺紋鋼錨桿或高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿)關(guān)系密切。巷道變形破壞特征為：①采煤工作面開采后，越靠近停采線的下山，變形程度越嚴(yán)重，即4條下山中，行人下山變形最輕，軌道下山變形最嚴(yán)重；②尺寸較小的同類工作面，其影響范圍和影響程度小于大尺寸工作面；③跳采工作面(采煤工作面兩側(cè)為大尺寸的實(shí)體煤柱)的影響范圍和影響程度小于孤島工作面；④采煤工作面不僅影響本工作面前方的相關(guān)巷道，也影響了相鄰工作面的部分下山巷道，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，跳采工作面超前支承壓力造成工作面兩巷外側(cè)下山18～24 m范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的變形現(xiàn)象，孤島工作面的影響范圍更大；⑤采用高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿支護(hù)后的巷道變形破壞程度遠(yuǎn)小于采用全螺紋鋼錨桿支護(hù)的巷道；⑥總回風(fēng)下山的底鼓量總體大于其余進(jìn)風(fēng)下山的底鼓量。4條下山巷道在服務(wù)期間的變形破壞形式主要為：①水平擠壓變形，主要集中于巷道頂板，該處巖體受到擠壓作用影響，破碎程度較高；②圍巖整體變形，巷道兩幫主要表現(xiàn)為圍巖整體變形，錨桿受力不明顯；③底鼓嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為底板鼓起，圍巖破碎，整體性差，且底板內(nèi)部在水平擠壓作用下有離層現(xiàn)象出現(xiàn)，在巷道底鼓的牽引作用下，兩幫出現(xiàn)明顯的內(nèi)移、下沉現(xiàn)象；④錨桿破斷較多且局部錨索破斷，主要集中于巷道頂板，結(jié)合錨桿斷口位置判斷，錨桿破壞形式主要為剪切破壞。

2.2 巷道變形破壞原因

(1)巷道圍巖主要為煤層和泥質(zhì)巖類軟巖，受到潮濕風(fēng)流影響時(shí)圍巖強(qiáng)度明顯降低，為巷道發(fā)生持續(xù)變形的基本原因。現(xiàn)場調(diào)研及鉆孔資料表明，8#煤層頂?shù)装鍘r性以泥質(zhì)巖類為主(底板巖性為鋁土巖，遇水易膨脹)且8#煤層煤體易沖擊破碎，巷道圍巖總體強(qiáng)度低、易變形，甚至出現(xiàn)蠕變特征。在工作面超前支承壓力的作用下，巷道圍巖易發(fā)生變形，導(dǎo)致大量裂隙產(chǎn)生，該類裂隙將吸收潮濕空氣中的水分，圍巖尤其是8#煤層底板鋁土泥巖遇水膨脹，從而導(dǎo)致巷道底板出現(xiàn)嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象。井下觀察發(fā)現(xiàn)，總回風(fēng)下山的總體底鼓量明顯大于其余3條下山，與回風(fēng)流中空氣濕度大關(guān)系密切。

(2)采煤工作面開采后，受到工作面超前支承壓力的影響，集中下山圍巖應(yīng)力重新分布，并且工作面開采引起的水平應(yīng)力疊加，是巷道發(fā)生反復(fù)變形破壞的主要原因。煤層開采后，上覆巖層呈現(xiàn)周期性來壓，并且傳遞影響至采煤工作面前方一定范圍，該范圍大小與工作面的性質(zhì)(尺寸大小、跳采面或孤島面)、覆巖結(jié)構(gòu)以及空間位置關(guān)系密切。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，跳采工作面超前支承壓力造成工作面前方相關(guān)下山及其外側(cè)18～24 m范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的變形現(xiàn)象，并且孤島工作面開采的影響程度和范圍明顯大于跳采工作面。另外，根據(jù)巷道頂角的大變形現(xiàn)象推斷，工作面開采應(yīng)力增加使得巷道所受的水平應(yīng)力加大，最終導(dǎo)致巷道圍巖強(qiáng)度降低，支護(hù)體(錨桿和錨索)錨固力降低，進(jìn)而引發(fā)巷道變形甚至破壞。

(3)巷道初次支護(hù)方式對(duì)于保持巷道永久穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，集中下山巷道初次支護(hù)主要采用全螺紋鋼錨桿和普通錨索，全螺紋鋼錨桿的預(yù)緊力較低且不易保持，在巷道圍巖為泥質(zhì)軟巖的條件下，易出現(xiàn)巷道大變形現(xiàn)象，而采用高強(qiáng)高預(yù)緊力錨網(wǎng)索支護(hù)方式后，巷道穩(wěn)定性明顯提升。預(yù)應(yīng)力錨桿的主要作用是減少或消除拉應(yīng)力范圍，消除頂板離層(煤系地層為層狀礦床)。從安全角度分析，離層是巷道冒頂?shù)牡谝伙@現(xiàn)，控制離層對(duì)于巷道支護(hù)尤為重要，但等強(qiáng)螺紋鋼錨桿由于螺距大，依靠目前的錨桿安裝機(jī)具難以給錨桿施加較高的預(yù)緊力，且該類型錨桿的預(yù)緊力保持性能較差。

(4)工作面回采后，集中下山巷道由于受到工作面采動(dòng)動(dòng)壓的影響，易使巷道圍巖表面破碎，甚至部分巷道段會(huì)出現(xiàn)輕微漏風(fēng)現(xiàn)象。這充分說明，巷道煤柱及其頂板整體性變差，強(qiáng)度變低，錨桿和錨索的有效錨固性能減弱，有效錨固力降低。同時(shí)，潮濕風(fēng)流中的水分會(huì)通過圍巖裂隙進(jìn)入煤巖體，更加減弱了錨桿和錨索端部的錨固性能。由于錨固劑與煤巖孔壁的膠結(jié)能力降低，錨桿和錨索受力后，易引起錨固端發(fā)生位移，進(jìn)而導(dǎo)致錨桿和錨索支護(hù)失效。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，修復(fù)不久的行人下山出現(xiàn)了錨桿破斷現(xiàn)象，說明該段巷道的錨固性能良好，但也說明，僅采用錨網(wǎng)索支護(hù)不足以長期有效地保持巷道穩(wěn)定。

3 巷道錨注加固方案

該礦集中下山巷道圍巖特征為：①由于大部分巷道圍巖存在泥質(zhì)軟巖，巷道圍巖或多或少受到原巖應(yīng)力或采動(dòng)應(yīng)力的影響，在錨網(wǎng)支護(hù)錨固端以內(nèi)仍存在部分裂隙，該類裂隙可能與巷道表面裂隙連通，隨著時(shí)間延長，裂隙將吸收來自巷道內(nèi)潮濕空氣中的水分，逐漸泥化圍巖，使得巷道圍巖強(qiáng)度逐漸降低，進(jìn)而可能導(dǎo)致錨桿(索)錨固力下降；②8#煤層屬于“易沖擊破碎”型煤層，在多次采動(dòng)應(yīng)力影響下，裂隙發(fā)育，甚至部分地段出現(xiàn)了下山之間裂隙連通(漏風(fēng))現(xiàn)象；③集中下山巷道穿過泥質(zhì)巖類巖層時(shí)，裂隙中可能存在部分與水泥基等注漿材料膠結(jié)性差或不膠結(jié)的泥質(zhì)巖類碎屑，使得水泥基材料的注漿加固效果較差；④由于巷道的破碎效應(yīng)，往往采用噴射混凝土的方式難以有效封堵圍巖裂隙，相對(duì)而言，注漿封堵效果較理想；⑤巷道圍巖中分布著較多的錨桿、錨索等支護(hù)體(對(duì)于多次修復(fù)后的巷道而言，錨桿、錨索更多)，經(jīng)過注漿加固后，可將該類支護(hù)體與圍巖進(jìn)行緊密固結(jié)，共同維護(hù)巷道穩(wěn)定。

根據(jù)集中下山圍巖巖性特征進(jìn)一步分析可知：①下山巷道在經(jīng)過多次采動(dòng)影響的情況下，巷道圍巖出現(xiàn)了較大的松動(dòng)范圍，采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù)方式，錨桿的錨固力難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，松脫后的錨桿其支護(hù)性能將大打折扣；②部分巷道周圍巖層屬于泥質(zhì)巖類，遇水易膨脹，傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù)方式難以控制巷道長期穩(wěn)定；③對(duì)于化學(xué)漿，盡管其膠結(jié)性能好但膠結(jié)強(qiáng)度不高，并且由于成本較高，一般僅用于巷道局部地段或采煤工作面冒頂區(qū)；④對(duì)于傳統(tǒng)水泥基注漿材料，由于部分泥質(zhì)巖類親泥性差，與泥質(zhì)巖膠結(jié)效果差(僅充填裂隙)，且圍巖中分布有遇水易膨脹或崩解的巖層(如8#煤層底板的鋁土巖)，由于其析水量高，更加劇了膨脹巖破壞，部分地段傳統(tǒng)水泥注漿加固效果較差。

針對(duì)該礦集中下山的具體條件，綜合考慮各種因素對(duì)巷道的影響，本研究設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索+滯后注漿的綜合注漿加固方案，即在高強(qiáng)預(yù)緊力錨網(wǎng)索支護(hù)的基礎(chǔ)上，對(duì)巷道進(jìn)行高壓注漿加固。根據(jù)巷道圍巖巖性和變形特征，采用高泥質(zhì)圍巖巷道專用注漿材料對(duì)巷道進(jìn)行注漿加固和維修，提高泥質(zhì)圍巖的強(qiáng)度，維持巷道長期穩(wěn)定。巷道修復(fù)加固的基本施工流程為：①修復(fù)巷道至設(shè)計(jì)斷面，采用高強(qiáng)預(yù)緊力錨桿支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行巷道初期支護(hù)；②對(duì)初期支護(hù)巷道進(jìn)行初噴漿，噴層厚度一般為50～70 mm，具體取值可根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定，以能夠封堵注漿液體在5 MPa注漿壓力條件下不外滲為原則；③注漿加固后，對(duì)巷道表面再次噴薄漿。

4 錨注加固效果

為有效分析本研究方案的實(shí)施效果，在注漿開始前，在試驗(yàn)巷道內(nèi)布置了圍巖移近量監(jiān)測斷面(圖2)，在整個(gè)錨注加固過程中對(duì)巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平窟M(jìn)行了觀測，結(jié)果見圖3。

圖2 巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測斷面布置示意

圖3 巷道圍巖變形特征

分析圖3可知：在0～70d監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)，巷道(頂?shù)装?、兩?變形量為未注漿時(shí)的變形量，監(jiān)測時(shí)間70d之后巷道(頂?shù)装?、兩?變形量為注漿后的變形量，可見，注漿后(100d以后)巷道(頂?shù)装濉蓭?變形量趨于穩(wěn)定，頂?shù)装?、兩幫的移近量最大值分別為189，106mm?，F(xiàn)場觀測結(jié)果表明，底鼓量最大值、兩幫移近量最大值以及頂板下沉量最大值均發(fā)生于軌道下山與聯(lián)絡(luò)巷或硐室的交叉口處，是由于交叉口處斷面較大，軌道下山易受采煤工作面回采影響而發(fā)生嚴(yán)重變形。

5 結(jié) 語

以山西某礦井下集中下山為例，針對(duì)巷道軟巖特征，設(shè)計(jì)了錨網(wǎng)索+滯后注漿巷道加固技術(shù)方案，詳細(xì)分析了方案的實(shí)施流程。方案實(shí)施后巷道圍巖趨于穩(wěn)定，有助于降低巷道維護(hù)成本，對(duì)于確保井下安全生產(chǎn)也有一定的現(xiàn)實(shí)意義。