動(dòng)壓影響回采巷道分區(qū)注漿加固技術(shù)研究

張軍波 趙蘇杭 張宏博 李 寧

(1.河南能源化工集團(tuán)研究總院有限公司，河南省鄭州市，450046；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454003)

隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，巷道礦壓越來(lái)越大，巷道支護(hù)的難度也越來(lái)越大。在回采過(guò)程中，工作面巷道又受到采動(dòng)應(yīng)力的影響，工作面上下平巷變形嚴(yán)重，煤壁開(kāi)始出現(xiàn)片幫，不僅對(duì)礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重影響，也破壞了巷道中鋪設(shè)的各種管路。在大采深巷道支護(hù)中單純使用錨桿錨索支護(hù)已經(jīng)不能滿足對(duì)巷道支護(hù)的要求。因此，如何對(duì)大采深、高應(yīng)力松軟破碎圍巖巷道進(jìn)行支護(hù)顯得尤其重要。近幾年來(lái)，采用注漿加固巷道破碎圍巖開(kāi)始得到應(yīng)用，但對(duì)注漿參數(shù)的研究尚不能滿足要求，井下注漿作業(yè)缺少理論和實(shí)踐支撐。因此，需要對(duì)煤礦巷道加固技術(shù)進(jìn)行研究，確定詳細(xì)注漿參數(shù)和施工工藝。

1 加固分區(qū)理論

煤礦井下采掘活動(dòng)破壞了原始地層中的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使煤體中的應(yīng)力重新分布，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，形成卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)。在這三個(gè)區(qū)域中，煤體所受應(yīng)力和變形性質(zhì)各有差異。根據(jù)巷道周邊煤巖體破碎程度、加固后煤巖體所起的作用，將加固區(qū)域分為無(wú)效加固區(qū)、有效加固區(qū)和非加固區(qū)，如圖1所示。

圖1 注漿加固分區(qū)圖

(1)無(wú)效加固區(qū)。無(wú)效加固區(qū)與卸壓區(qū)重合，區(qū)內(nèi)煤巖體破碎，井下各種支護(hù)、抽采措施均對(duì)此區(qū)域內(nèi)的煤體造成破壞，形成貫通性裂隙，且這些裂隙由于受采動(dòng)影響而沒(méi)有方向性，在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行注漿，其目的是使煤壁形成整體，不出現(xiàn)片幫。在此區(qū)域內(nèi)注漿加固后形成的煤料結(jié)石體、漿料網(wǎng)絡(luò)骨架對(duì)巷道支護(hù)起不到作用。

(2)有效加固區(qū)。有效加固區(qū)與塑性變形區(qū)重合，其區(qū)域范圍取決于巷道的高度和寬度、支護(hù)形式、煤巖體抗壓強(qiáng)度、煤巖體所受載荷、煤體內(nèi)聚力等；具體到回采巷道煤壁，有效加固區(qū)的區(qū)域范圍除了與以上因素相關(guān)外，還與支架剛度、采高、推進(jìn)速度等相關(guān)。有效加固區(qū)是注漿加固的重點(diǎn)，在此區(qū)域內(nèi)的裂隙以原生和次生裂隙面與結(jié)構(gòu)面為主，具有很強(qiáng)的方向性。在注漿過(guò)程中，漿液的流動(dòng)以定向滲流為主，最終起到滲透注漿和充填注漿的兩種效果。

(3)非加固區(qū)。非加固區(qū)內(nèi)，煤巖體內(nèi)的裂隙受到應(yīng)力影響，裂隙開(kāi)度受到壓縮，漿液難以通過(guò)。有學(xué)者認(rèn)為，該區(qū)域內(nèi)的煤體可通過(guò)劈裂方式進(jìn)行注漿，但在井下實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，注漿成本高、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，效果不明顯，且有可能造成應(yīng)力向工作面釋放，推倒支架，造成新的事故。

2 分區(qū)注漿加固工藝

2.1 注漿鉆孔間距

漿液擴(kuò)散半徑取決于注漿壓力、注漿時(shí)間、裂隙發(fā)育程度等，為簡(jiǎn)化計(jì)算難度，采用溶液球狀滲透狀公式對(duì)漿液擴(kuò)散半徑進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：R——漿液擴(kuò)散半徑，m；

r——漿液黏度的倒數(shù)；

q——漿液注入流量，m3/min；

t——漿液固化時(shí)間，min；

n——孔隙率，%。

鉆孔間距由漿液擴(kuò)散半徑?jīng)Q定，且為防止出現(xiàn)空白帶，在注漿設(shè)計(jì)時(shí)，鉆孔半徑應(yīng)小于漿液擴(kuò)散半徑。進(jìn)行注漿作業(yè)時(shí)，要對(duì)注漿壓力和注漿時(shí)間進(jìn)行控制，某個(gè)注漿鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量時(shí)，必須停止該孔注漿作業(yè)。

2.2 注漿量

注漿量分為單孔注漿量和總體注漿量，單孔注漿量由注漿孔的長(zhǎng)度、漿液擴(kuò)散半徑共同決定，漿液填充系數(shù)和漿液損耗對(duì)注漿量有一定影響，計(jì)算公式如下：

Q=A·L·π·R2·β·γ

(2)

式中：Q——單孔注漿量，m3；

A——漿液消耗系數(shù)，取1.05～1.1；

L——加固區(qū)長(zhǎng)度，m；

β——煤體裂隙率，取0.5%～3%；

γ——漿液充填系數(shù)，取0.7～0.8。

2.3 加固深度

煤壁中無(wú)效加固區(qū)和有效加固區(qū)的劃分可以通過(guò)聲波測(cè)試、多點(diǎn)位移計(jì)或鉆屑法進(jìn)行確定。由于鉆屑法不需要使用其他設(shè)備，在井下操作方便，只需通過(guò)打鉆和搜集鉆屑就可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)。根據(jù)加固目的不同，可將注漿孔終孔設(shè)置在不同的分區(qū)內(nèi)：若為防止巷道變形、煤壁片幫，加固深度需要布置到有效加固區(qū)；若只是為了將煤壁粘結(jié)在一起，可以將注漿深度布置在無(wú)效加固區(qū)。

2.4 加固時(shí)機(jī)

注漿加固時(shí)機(jī)，又稱為注漿加固時(shí)間，取決于巷幫煤巖體的強(qiáng)度和裂隙發(fā)育程度。巷幫圍巖變形程度對(duì)注漿加固的影響包括兩個(gè)方面：一是圍巖的可注性，即漿液可以注入到巷幫圍巖的裂隙中，并能在裂隙中擴(kuò)散；二是圍巖破壞程度過(guò)大會(huì)增加注漿量以及巷道支護(hù)、維修的作業(yè)量和作業(yè)成本。隨著工作面的推進(jìn)，巷幫圍巖開(kāi)始加速變形，裂隙開(kāi)始發(fā)育，裂隙長(zhǎng)度變小，裂隙開(kāi)度變大，圍巖的完整性遭到破壞，失去對(duì)頂板的支護(hù)能力，應(yīng)力開(kāi)始向煤巖體深部轉(zhuǎn)移，破壞深度逐漸增加。加固時(shí)機(jī)可通過(guò)對(duì)巷道變形量的觀測(cè)來(lái)確定。

2.5 加固材料

選用河南能源化工集團(tuán)研究院所研發(fā)的固特結(jié)加固材料進(jìn)行巷道注漿加固，該材料是一種聚氨酯/聚脲復(fù)合的有機(jī)高分子材料，兩種組分按體積比1∶1混合反應(yīng)后生成一種高強(qiáng)度的固結(jié)體，其綠色、環(huán)保性能優(yōu)異，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度可分別達(dá)到64.3 MPa和23.8 MPa，可用于加固煤礦井下破碎煤巖體。漿料注入破碎煤巖體后，在注漿壓力的作用下，能迅速滲透裂縫，形成網(wǎng)絡(luò)骨架，并利用其與煤巖體優(yōu)良的相容性、粘結(jié)性，與破碎煤巖體粘合成整體，提升煤巖體的整體強(qiáng)度。

3 加固實(shí)例

3.1 概況

巷道加固試驗(yàn)地點(diǎn)為趙固二礦11030工作面上平巷，該巷道擔(dān)負(fù)著11030工作面的回風(fēng)、行人、運(yùn)煤等任務(wù)。在回采過(guò)程中，11030工作面上平巷煤壁出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，造成煤壁片幫以及頂板冒落。在11030工作面上平巷選取50 m為固結(jié)加固材料試驗(yàn)區(qū)域。

3.2 試驗(yàn)方案

3.2.1 注漿深度

采用鉆屑量法測(cè)量11030工作面上平巷“三帶”深度，從而確定注漿孔的深度。在計(jì)劃試驗(yàn)區(qū)域布置4個(gè)鉆孔測(cè)量鉆屑量，鉆孔編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#，記錄的各個(gè)鉆孔鉆屑量與鉆孔深度的數(shù)據(jù)，生成單位長(zhǎng)度鉆屑量隨鉆孔深度變化規(guī)律擬合曲線圖如圖2所示?？紤]到煤壁附近的煤體松軟破碎，孔口鉆進(jìn)時(shí)造成煤壁剝落，0～1 m的鉆屑量不計(jì)算在內(nèi)，從1～2 m鉆屑量開(kāi)始計(jì)算。

圖2 鉆孔鉆屑量測(cè)定圖

由圖2可以看出，在孔深為1～5 m段鉆屑量緩慢增加，5～10 m段鉆屑量迅速增加，在10 m左右鉆屑量出現(xiàn)峰值，10～12 m鉆屑量逐漸減少。根據(jù)鉆屑量沿孔深的變化規(guī)律與煤體內(nèi)的應(yīng)力分布，可以推導(dǎo)出11030工作面上平巷1～5 m為無(wú)效加固區(qū)，5～10 m為有效加固區(qū)，10 m內(nèi)為非加固區(qū)。因此注漿深度設(shè)置為6 m。

3.2.2 加固時(shí)機(jī)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，11030工作面上平巷測(cè)點(diǎn)距切眼80 m時(shí)，巷道周邊煤巖體開(kāi)始加速變形，至切眼前方20 m范圍內(nèi)，巷道周邊煤巖體變形量大，在10 d內(nèi)，頂?shù)装逡平?140 mm，兩幫移近1256 mm?？紤]到漿液的固化時(shí)間，注漿時(shí)間應(yīng)早于巷道變形最大時(shí)間，即具有事實(shí)上的可注性，又具有一定的抗壓強(qiáng)度，結(jié)合工作面推進(jìn)速度、擴(kuò)巷、超前支護(hù)，選取距離切眼80 m時(shí)為注漿加固時(shí)機(jī)。

3.2.3 注漿孔布置

選取的固結(jié)漿液的粘度為300 MPa·s，固化時(shí)間為1 min，孔隙率取值1%，使用的注漿泵最大注漿量20 L/min，代入式(1)可得，漿液擴(kuò)散半徑為1.17 m。

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的巷道兩幫各布置25組共100個(gè)注漿孔，孔徑42 mm，孔深6 m，鉆孔組間距2 m。每組2個(gè)布置2個(gè)注漿孔，第1個(gè)注漿孔距頂板向下0.5 m處開(kāi)孔，沿水平向上仰角6°～7°；第2個(gè)注漿孔距頂板向下2 m處開(kāi)孔，垂直于煤壁。將注漿錨桿下入注漿孔，并在注漿錨桿距孔口1.5 m的位置使用棉紗進(jìn)行封孔。

3.2.4 單孔注漿量

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)可得鉆孔單孔注漿量為0.138 m3，漿液密度取1.15 g/cm3，可得單孔注漿重量為159 kg。

3.2.5 注漿順序

每組孔由下向上依次注漿，即先注中部鉆孔，再注上部鉆孔。單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量時(shí)，停止注漿。有些鉆孔注漿量達(dá)不到要求，很快從煤壁返漿，此時(shí)停止作業(yè)1 min，再次注漿。如果多次停機(jī)仍不能按要求進(jìn)行注漿，換孔作業(yè)。

3.3 加固效果

從11030工作面通尺960 m處開(kāi)始施工，井下作業(yè)7次，共施工79孔，共計(jì)注漿量約12 t，單孔注漿量約152 kg。采用十字交叉法觀測(cè)巷道兩幫距離，在注漿加固區(qū)布置測(cè)點(diǎn)6個(gè)，測(cè)點(diǎn)間距為10 m，得到加固區(qū)全寬收縮量變化曲線如圖3所示。

圖3 加固區(qū)全寬收縮量變化圖

由圖3可以看出，注漿加固區(qū)在距離切眼50～20 m范圍內(nèi)，日均收縮量55～70 mm；當(dāng)距切眼20 m時(shí)，巷道日均收縮量70～100 mm。測(cè)點(diǎn)全寬累計(jì)收縮量620～800 mm。相比加固之前，巷道全寬收縮量減少約450～650 mm。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)巷幫破壞程度和加固后煤巖體所起作用，將巷道圍巖從外至里依次劃分為有效加固區(qū)、無(wú)效加固區(qū)和非加固區(qū)，根據(jù)加固目的不同，進(jìn)行分區(qū)注漿。

(2)注漿參數(shù)由煤壁破壞位置決定，而煤壁破壞位置和采高、推進(jìn)速度、推進(jìn)進(jìn)度、支架剛度、煤體強(qiáng)度、煤的內(nèi)聚力等因素相關(guān)，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行確定。

(3)使用分區(qū)注漿加固工藝，在保證加固效果的前提下，實(shí)現(xiàn)加固區(qū)域的精確注漿，避免注漿作業(yè)的無(wú)序性和盲目性。