疊加應(yīng)力區(qū)失穩(wěn)大巷注漿加固技術(shù)研究

范建峰

（山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000）

大采高工作面具備推進(jìn)速度快、產(chǎn)量大等優(yōu)勢(shì)，逐漸在各大礦區(qū)推廣應(yīng)用[1-2]。但同時(shí)由于工作面采高、產(chǎn)能較大，對(duì)礦井大巷和工作面回采巷道的運(yùn)輸和通風(fēng)能力要求有所提高，增加了巷道的斷面大小以及巷道數(shù)量[3]。巷道斷面的增加在一定程度上增大了巷道的支護(hù)需求，特別是巷道布置數(shù)量的增加，容易造成周?chē)鷳?yīng)力疊加，巷道圍巖在疊加應(yīng)力的作用下發(fā)生屈服破壞，降低錨桿錨索支護(hù)效力，從而影響巷道圍巖的穩(wěn)定。注漿加固技術(shù)可通過(guò)在破碎煤巖體內(nèi)注入漿液，重新固化、膠結(jié)破碎煤巖體，提高巷道圍巖承載能力，重塑錨桿錨索支護(hù)載體，從而有效控制圍巖變形[4-5]。趙莊煤礦為大采高工作面，其多條盤(pán)區(qū)大巷受復(fù)雜應(yīng)力影響出現(xiàn)底鼓、煤柱變形的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響大巷的安全穩(wěn)定性。因此，有必要對(duì)疊加應(yīng)力區(qū)的失穩(wěn)大巷展開(kāi)注漿加固治理，維護(hù)大巷穩(wěn)定，保證大巷安全服務(wù)礦井。

1 大巷破壞原因及控制技術(shù)分析

趙莊礦東五盤(pán)區(qū)東翼布置東五盤(pán)區(qū)東翼膠帶巷、輔運(yùn)巷、回風(fēng)一巷和回風(fēng)二巷等四條盤(pán)區(qū)大巷，分別承擔(dān)該盤(pán)區(qū)工作面的運(yùn)輸及通風(fēng)任務(wù)。其中，東翼膠帶巷與5303 工作面之間布置了東翼輔運(yùn)巷、回風(fēng)一巷和回風(fēng)二巷，回風(fēng)一巷為布置在煤層頂板中的巖巷。具體巷道布置如圖1 所示。

從圖中大巷布置方式可以看出，大巷群與5303、5304 工作面為平行布置的空間關(guān)系，在工作面回采至大巷時(shí)會(huì)受到其側(cè)向支承壓力的影響。由于大巷布置數(shù)量多、距離較近，在受工作面采動(dòng)影響時(shí)，巷道群的存在改變了圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，其應(yīng)力分布將會(huì)疊加，互相影響。同時(shí)，由于東翼膠帶大巷與輔運(yùn)巷距離近、煤柱窄，煤柱在疊加應(yīng)力條件下屈服，大巷之間發(fā)生貫通破壞，造成東翼膠帶大巷破壞最為嚴(yán)重。加上大巷支護(hù)不當(dāng)?shù)仍?，使得東翼膠帶巷、輔運(yùn)巷和回風(fēng)二巷三條大巷的3號(hào)～21 號(hào)橫川范圍內(nèi)，出現(xiàn)不同程度的底鼓、煤柱屈服等變形現(xiàn)象，影響礦井安全生產(chǎn)。其中東翼膠帶巷破壞最為嚴(yán)重，急需進(jìn)行維護(hù)治理。

圖1 大巷布置及空間位置關(guān)系

綜合以上分析可以得出，大巷發(fā)生嚴(yán)重變形破壞的主要原因是相鄰巷道間疊加應(yīng)力相互影響及回采工作面?zhèn)认蛑С袎毫?。隨著5303 和5304 工作面的重復(fù)采動(dòng)，大巷破壞程度可能會(huì)進(jìn)一步增加。因此，在對(duì)大巷加固治理時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)巷道的支護(hù)強(qiáng)度，使得后期工作面臨近大巷時(shí)，能夠保證大巷穩(wěn)定，即在注漿加固的基礎(chǔ)上對(duì)大巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2 注漿加固及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

2.1 注漿加固方案

2.1.1 注漿鉆孔布置

注漿加固過(guò)程中主要對(duì)巷幫和底角進(jìn)行注漿治理，以期控制巷道兩幫變形和底鼓，也為后期補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)提供有效載體。其中，在大巷兩幫施工注漿鉆孔進(jìn)行注漿，底角使用中空錨桿進(jìn)行注漿。

鉆孔布置圖如圖2 所示。大巷兩幫各施工兩排鉆孔，呈“三花”布置，上排鉆孔開(kāi)孔高度2.5 m，孔間距4.0 m，鉆孔仰角約5°，孔深8.0 m，孔徑42 mm；下排鉆孔開(kāi)孔高度1.5 m，孔間距4.0 m，鉆孔垂直于巷幫，孔深8.0 m，孔徑42 mm；兩幫底角各施工一排鉆孔，孔間距2.0 m，俯角45°，孔深3.0 m，孔徑42 mm，采用直徑28 mm 的中空錨索進(jìn)行注漿。

2.1.2 注漿材料選擇

考慮到注漿加固的時(shí)效性和圍巖可注性，注漿材料選用晉煤集團(tuán)研發(fā)出的高性能聯(lián)邦加固雙液材料。該材料由雙組分無(wú)機(jī)礦粉組成，材料漿液具備較好的流動(dòng)性，能夠深入煤巖體微小裂隙。單液在24 h 內(nèi)不發(fā)生凝固和沉淀現(xiàn)象，兩種漿液混合后能夠在3～10 min 短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)、固化，具體時(shí)間可以根據(jù)工程需求調(diào)整。材料水灰比可以在0.6～1.5:1 范圍內(nèi)調(diào)整，以滿足不同工程對(duì)強(qiáng)度的需求。該材料在不同水灰比條件下的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 注漿鉆孔布置示意圖

表1 高性能注漿材料性能參數(shù)

在注漿過(guò)程中，采用雙液氣動(dòng)注漿泵和攪拌桶，以適應(yīng)井下特殊施工要求。注漿系統(tǒng)設(shè)備連接示意圖如圖3 所示。正常注漿時(shí)，材料水灰比控制在0.8～1.0:1 之間，注漿壓力控制在6～8 MPa，存在漏漿現(xiàn)象時(shí)適當(dāng)降低水灰比和注漿壓力。

圖3 注漿系統(tǒng)設(shè)備連接

2.2 補(bǔ)強(qiáng)方案

在對(duì)大巷進(jìn)行注漿加固后，還需對(duì)巷道進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)，以期提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，保證巷道后期安全服務(wù)。采用對(duì)大巷補(bǔ)打錨索的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，在大巷原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，兩幫每排補(bǔ)打3 根Ф22-5300-1 型錨索，巷幫上、下部錨索均距頂?shù)装?.4 m，錨索排距1.0 m；頂板每排補(bǔ)打3 根Ф22-7300-1 型錨索，排距2.0 m。補(bǔ)強(qiáng)方案布置如圖4所示。

圖4 補(bǔ)強(qiáng)錨索布置

3 治理效果考察

為對(duì)注漿加固后的大巷進(jìn)行效果考察，對(duì)大巷表面圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用十字布點(diǎn)法對(duì)破壞最為嚴(yán)重的東翼膠帶進(jìn)行圍巖變形觀測(cè)，共布置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)巷幫和頂?shù)装逡平窟M(jìn)行觀測(cè)。選取典型3 號(hào)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖5 所示。

圖5 大巷圍巖變形量及變形速率曲線

從圖5 中可以看出，大巷經(jīng)過(guò)注漿加固后，其圍巖變形量得到有效控制。其中，兩幫移近量明顯小于頂?shù)装逡平?。注漿加固后時(shí)間延長(zhǎng)至18 d 左右時(shí)，圍巖移近速率明顯得到放緩，之后圍巖變形量趨于穩(wěn)定。注漿加固80 d 后兩幫和頂?shù)装逡平俾式档椭?.5 mm/d 和1.0 mm/d 左右，并仍呈下降趨勢(shì)。這是由于注漿加固后的前期階段，注漿材料固結(jié)體強(qiáng)度較低，圍巖變形速率較快，但隨著材料強(qiáng)度的增長(zhǎng)，巷道承載能力逐漸得到提高，其變形速率持續(xù)降低并趨于穩(wěn)定。以上觀測(cè)結(jié)果及分析表明，經(jīng)過(guò)注漿加固和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，大巷圍巖穩(wěn)定性明顯得到提高，能夠達(dá)到安全服務(wù)礦井的需求。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合大巷布置方式及現(xiàn)場(chǎng)破壞方式，分析了大巷變形破壞原因，即大巷之間疊加應(yīng)力相互影響和工作面采動(dòng)的側(cè)向支承壓力造成大巷圍巖失穩(wěn)，提出注漿加固和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的控制技術(shù)。

（2）參考工程地質(zhì)條件設(shè)計(jì)了注漿加固方案，采用高性能注漿材料對(duì)大巷進(jìn)行了注漿加固治理，在提高圍巖承載能力的基礎(chǔ)上，對(duì)巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

（3）經(jīng)過(guò)注漿加固治理后，大巷兩幫和頂?shù)装逡平恐饾u趨于穩(wěn)定，移近速率穩(wěn)定在1 mm/d，穩(wěn)定性得到明顯提高，滿足其安全服務(wù)需求。