破碎煤巖巷道注漿加固材料實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究

梁旭超，馬振乾,，祖自銀，李桂臣，韓 森，官瑞沖，楊 威

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州盤江煤電集團(tuán)技術(shù)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；3.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

煤炭開采工程中有大量巷道不可避免在節(jié)理多的圍巖中進(jìn)行布置，處于高應(yīng)力環(huán)境的巷道受到工作面采動影響圍巖極其松散破碎，巷道圍巖穩(wěn)定控制成為了一大難題。目前，大量學(xué)者針對破碎圍巖巷道控制做了大量的實(shí)驗(yàn)并取得了一定的成果[1-3]。馬振乾等[4]針對厚層軟弱頂板煤巷地質(zhì)條件，分析巷道破壞機(jī)理，找出影響巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，采用了錨桿支護(hù)和U型鋼支護(hù)治理厚層頂板破碎難題；張紅軍等[5]采用錨桿結(jié)合錨注的支護(hù)方法加固巷道穿越軟弱破碎的泥巖層，提高巷道整體承載效果；陳曉祥等[6]采用超前注漿+錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式對斷層破碎區(qū)巷道進(jìn)行加固支護(hù)；秦江江[7]采用注漿方法對破碎圍巖進(jìn)行了加固，并通過現(xiàn)場觀測實(shí)驗(yàn)提出了注漿綜合效果的評價；李飛等[8]針對火鋪礦巷道破碎松散圍巖進(jìn)行注漿，并對巷道移近量提出效果評價；彭英華等[9]針對裂隙圍巖巷道破壞進(jìn)行裂隙發(fā)育機(jī)理分析，通過實(shí)驗(yàn)選出水泥-水玻璃最佳配比并應(yīng)用于現(xiàn)場，控制效果良好。

現(xiàn)階段許多學(xué)者對控制破碎圍巖巷道變形做了大量的理論及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究[9-14]，支護(hù)手段大多采用以錨網(wǎng)索結(jié)合注漿聯(lián)合支護(hù)，注漿能夠提高圍巖的承載能力，因此注漿對控制巷道圍巖穩(wěn)定具有十分重要的意義。目前，對于注漿性能大多都采用理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場就地取材實(shí)驗(yàn)研究方法，而對不同成分、不同水灰比漿液澆筑試件力學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、孔徑分布特征之間關(guān)系研究較少。本文鑒于前人研究方法，以山腳樹煤礦破碎圍巖226軌道石門大變形作為工程背景，展開巷道圍巖穩(wěn)定分析及漿液配比室內(nèi)單軸壓縮、劈裂實(shí)驗(yàn)和壓汞實(shí)驗(yàn)，分析不同配比、孔徑分布、微觀裂隙結(jié)構(gòu)特征以及力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，確定最優(yōu)的注漿材料配比?；谑覂?nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果，對巷道支護(hù)提出建議，現(xiàn)場實(shí)施結(jié)果表明破碎圍巖巷道穩(wěn)定性極大提高，為類似地質(zhì)條件下巷道支護(hù)提供一定的借鑒作用。

1 工程概況

山腳樹煤礦位于西南地區(qū)盤縣境內(nèi)，屬于盤江精煤股份有限公司年產(chǎn)90萬t的礦井。226軌道石門下接22軌道石門(圖1)，水平標(biāo)高+1 170 m，距離地面垂直深度為812～892 m，依次揭露礦區(qū)23#煤層、22#煤層、21#煤層、20#煤層、19#煤層、18#煤層，其中23#煤層、22#煤層、21#煤層為煤線， 煤層傾角約為8°， 煤層頂?shù)装鍘r性見表1。軌道石門上方布置22188綜采工作面，工作面標(biāo)高為+1 259 m。煤層間多為泥質(zhì)粉砂巖及泥巖，節(jié)理發(fā)育較為明顯，質(zhì)地較軟，尤其上部經(jīng)過22188綜采工作面回采過后，圍巖極其破碎。

圖1 266軌道石門巷道布置剖面Fig.1 Location profile of 226 rail haulage cross-cut

表1 煤層頂?shù)装逄匦訲able 1 Characteristics of coal seam roof and floor

226軌道石門斷面為直墻半圓拱形，寬為5.2 m，高為3.2 m，原支護(hù)方案采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，幫部錨桿采用Φ18 mm×1 800 mm，頂部錨桿采用Φ20 mm×2 470 mm，間排距為700 mm×700 mm；錨索采用Φ17.8 mm×6 000 mm的鋼絞線，間排距1 400 mm×700 mm；鋼筋網(wǎng)Φ3.5～50 mm×50 mm；標(biāo)號425水泥與沙子體積比為1∶2.5的混凝土噴層厚100 mm，原巷道支護(hù)設(shè)計如圖2所示。

圖2 226軌道石門原設(shè)計方案Fig.2 Design scheme of 226 rail haulage cross-cut

通過現(xiàn)場調(diào)研，該巷道變形破壞具有以下特點(diǎn)：巷道頂板下沉嚴(yán)重，出現(xiàn)大量的網(wǎng)兜，頂部錨索出現(xiàn)托盤陷入圍巖內(nèi)且拉斷狀況，頂?shù)装遄畲笞冃瘟窟_(dá)1 900 mm；巷道兩幫嚴(yán)重向內(nèi)擠壓，兩幫之間最大變形量能夠達(dá)到1 800 mm，幫部錨桿出現(xiàn)脫落，金屬網(wǎng)外露，巷道斷面呈M型。

在高應(yīng)力環(huán)境中，圍巖質(zhì)地較軟且自身存在節(jié)理，巷道連續(xù)穿層后，接觸巖層間較大節(jié)理面，巖石隨著時間推移，微小裂隙發(fā)育產(chǎn)生擴(kuò)容現(xiàn)象，支護(hù)結(jié)構(gòu)不斷受到圍巖帶來的高荷載，最終導(dǎo)致巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)超過允許承載強(qiáng)度進(jìn)而失效，與此同時圍巖加速變形，塑性區(qū)范圍急劇增加，巷道出現(xiàn)嚴(yán)重片幫，底鼓及頂板下沉。

為解決以上破碎圍巖巷道支護(hù)難題，現(xiàn)場決定重點(diǎn)對巷道圍巖進(jìn)行注漿加固。為確定較優(yōu)的注漿參數(shù)，以現(xiàn)有的原材料超細(xì)水泥及普通水泥按不同的混合比例和不同水灰比澆筑試件開展室內(nèi)試驗(yàn)，測定試件的物理力學(xué)參數(shù)及強(qiáng)度，為破碎穿層巷道注漿支護(hù)設(shè)計方案理論提供依據(jù)。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有的材料可知水泥有普通水泥和超細(xì)水泥，設(shè)置5種普通水泥和超細(xì)水泥的成分配比，超細(xì)水泥占比分別為0%、30%、70%、100%。水灰比設(shè)置2種比例，為0.45∶1和0.55∶1，見表2。將不同配比的水泥按方案稱量重量，利用攪拌機(jī)將漿液攪拌充分，分別倒入提前準(zhǔn)備好的模具當(dāng)中，將磨具放到震動裝置上方，震動出漿液中的氣泡，待漿液固化形成試件后，拆模取出試件，利用磨平機(jī)將試件兩個圓形截面進(jìn)行打磨平整，要求截面的平整度誤差小于0.02 mm，制作成為Φ50 mm×100 mm注漿試件。為了保證試件的均質(zhì)性，試驗(yàn)前需對試件進(jìn)行肉眼的篩選，對試件表面氣泡性較大的試件棄用，盡可能精度滿足巖石力學(xué)試驗(yàn)的要求。

表2 實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental scheme

2.2 漿液澆筑強(qiáng)度特征

注漿的強(qiáng)度是重要材料指標(biāo)之一，關(guān)系到漿液與圍巖構(gòu)成固結(jié)體的穩(wěn)定性[11]，所以研究不同配比漿液固結(jié)體強(qiáng)度特征對巷道圍巖加固具有實(shí)際工程指導(dǎo)意義。為了分析漿液澆筑強(qiáng)度特征，室內(nèi)采用巖石伺服機(jī)對漿液試件單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。因試件強(qiáng)度小于硬質(zhì)巖石強(qiáng)度，本試驗(yàn)中采用位移控制，加載速率0.01 mm/s。根據(jù)試驗(yàn)方案，開展不同配比條件下的漿液澆筑試件抗壓強(qiáng)度和劈裂測試，如圖3所示。

從圖3中可以看出，注漿體單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線主要有四個階段：壓密階段、彈性階段、塑性階段及破壞階段。壓密階段過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)內(nèi)凹型，該階段過程注漿體內(nèi)部微觀空隙孔被壓密，曲線斜率逐漸增大。隨著軸向應(yīng)力增加，軸向應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)線性關(guān)系，這個過程為彈性階段。塑性階段，該階段注漿試件出現(xiàn)宏觀裂隙，并伴隨聲響及小部分注漿塊被拋出，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)鋸齒狀的特征，主要是注漿試件內(nèi)部微觀裂隙擴(kuò)展，部分應(yīng)力集中，超過自身的承載極限瞬間形成較大的宏觀裂紋，應(yīng)力將會急劇下降，由于注漿主體依然較為完整，裂隙又進(jìn)一步壓實(shí)，應(yīng)力還能逐漸升高。破壞階段，隨著較多宏觀裂紋交叉貫通發(fā)育，最后注漿體整體強(qiáng)度急劇下降，整體失穩(wěn)。不同超細(xì)水泥成分比例及不同水灰比單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 漿液試件力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of slurry

圖3 試件單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 The stress-strain curve of the specimen

2.3 注漿體強(qiáng)度及彈性模量變化規(guī)律

為了分析不同超細(xì)水泥含量、不同水灰比對注漿液注強(qiáng)度及彈性模量的影響，將不同超細(xì)水泥含量、不同水灰比得到的強(qiáng)度及彈性模量進(jìn)行統(tǒng)計，見圖4。從圖4中可以看出，隨著超細(xì)水泥含量增加，漿液的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。超細(xì)水泥含量占70%時的強(qiáng)度都大于其他占比的強(qiáng)度。同時水灰比0.45∶1的漿液單軸抗壓平均值為19.9 MPa；水灰比0.55∶1的漿液單軸抗壓平均值為13.8 MPa；水灰比0.45∶1的漿液比水灰比0.55∶1的漿液強(qiáng)度增加近44.2%。原因在于水灰比為0.55∶1時的漿液流動性較好，注漿效果好，但漿液含水泥量較少，漿液整體強(qiáng)度降低，單軸抗壓強(qiáng)度平均值整體較低。

圖4 不同配比漿液澆筑強(qiáng)度規(guī)律Fig.4 The strength rule of different ratio slurry

隨著超細(xì)水泥占比的增加，漿液的抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這主要是普通水泥顆粒粒徑較大，顆粒之間含有較多的空隙，超細(xì)水泥顆粒粒徑較小，普通水泥和超細(xì)水泥顆粒能夠相互嚙合，空隙較少，整個注漿體整體完整性較高，具有較高的強(qiáng)度。

彈性模量是反應(yīng)材料抗變形能力的指標(biāo)，通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得出材料的性模量，從而能夠進(jìn)一步分析不同超細(xì)水泥占比及不同水灰比下彈性模量的分布規(guī)律。從圖5中可以看出，不同水灰比隨著超細(xì)水泥的含量增加彈性模量有先增加后減小的趨勢。水灰比0.45∶1的彈性模量均大于0.55∶1，水灰比0.45∶1平均彈性模量為2 369.6 MPa，水灰比0.55∶1平均彈性模量為2 053.6 MPa，0.55∶1比0.45∶1的水灰比彈性模量平均值降低了13.3%。從圖5中可以得到兩種水灰比下，超細(xì)水泥含量占70%時彈性模量都達(dá)到最大值。同一水灰比下，漿液的抗壓強(qiáng)度高，彈性模量較大，與不同超細(xì)水泥含量注漿體抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律一致。

圖5 不同配比彈性模量Fig.5 The elastic modulus of different ratio slurry

3 注漿孔隙特征分布規(guī)律

漿液內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與宏觀抗壓、拉強(qiáng)度有著直接的影響，因此采用AutoPore IV 9500壓汞儀對漿液澆筑試件實(shí)驗(yàn)。壓汞實(shí)驗(yàn)原理是將實(shí)驗(yàn)樣品在真空狀態(tài)下通過增加液態(tài)汞的壓力使之進(jìn)入樣品的裂隙當(dāng)中。采用壓汞法對平均彈性模量及平均抗壓強(qiáng)度較高的水灰比0.45∶1注漿體試件進(jìn)行測試， 測試結(jié)果如圖6所示。

從圖6中超細(xì)水泥占比70%和100%進(jìn)汞曲線可以看出，當(dāng)壓力為5～1 800 Pa時，該階段進(jìn)汞曲線平緩，表明試件大于100 nm的孔徑較少。超細(xì)水泥占比0%和30%在壓力初期進(jìn)汞量較多，說明相對存在較多大于100 nm的孔隙。在壓力超過1 800 Pa時，四個注漿試件進(jìn)汞曲線急劇上升，表明內(nèi)部含有大量的小孔。從退汞曲線可以看出，在高壓下的退汞都較為緩慢，有較明顯的滯留環(huán)，表明試件當(dāng)中有大量的連通空隙。 從數(shù)據(jù)可以看出，總進(jìn)汞量隨著超細(xì)水泥增加而減小，表明超細(xì)水泥顆粒與普通水泥顆粒能夠嚙合，空隙率降低。 大量學(xué)者將>1 000 nm、1 000～100 nm、100～10 nm、<10 nm分別分為大孔、中孔、小孔、微孔。對不同超細(xì)水泥占比進(jìn)行空隙統(tǒng)計，見表4。從空隙體積方面，隨著超細(xì)水泥含量的增加，孔隙度不斷地減小，大孔及中控孔容比下降，小孔及微孔孔容比上升，表明采用超細(xì)水泥能夠降低孔隙率及提高小孔、微孔的孔容比，同時漿液試件內(nèi)部較大空隙減少，強(qiáng)度得到提高。采用漿液注漿圍巖，孔隙率低的漿液在高壓泵作用下能夠更容易深入圍巖內(nèi)部擴(kuò)散至微小裂隙，將帶有裂隙的圍巖凝聚固化效果，起到加固圍巖的作用，提高圍巖強(qiáng)度。

表4 不同配比漿液孔容比Table 4 The pore volume ratio of different ratio slurry

圖6 進(jìn)退汞曲線圖Fig.6 The intrusive mercury curve of different ratio slurry

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果水灰比采用0.45∶1、超細(xì)水泥占70%的漿液，抗壓強(qiáng)度最高，抗拉強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到最大值，漿液內(nèi)部孔徑小，針對山腳樹破碎圍巖的特性，該配比漿液在高壓注漿泵作用下能夠侵入裂隙圍巖內(nèi)部，提高圍巖的強(qiáng)度以及完整性，從而整體提高巷道的承載能力。最終確定的注漿漿液超細(xì)水泥占70%，水灰比為0.45∶1。

4 工業(yè)性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研、巷道失穩(wěn)控制對策及注漿實(shí)驗(yàn)效果，提出“雙層錨網(wǎng)+中空注漿錨索”聯(lián)合支護(hù)控制技術(shù)，即：在初次支護(hù)采用金屬網(wǎng)、錨桿、錨噴、注漿；二次加強(qiáng)支護(hù)采用加長錨桿、金屬網(wǎng)、錨噴層和中空注漿錨索。具體支護(hù)參數(shù)如下所述。

初次支護(hù)采用Φ22 mm×2400 mmⅣ級左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配兩根2支Z2535樹脂藥卷(一支快速，一支中速)，間排距為800 mm×800 mm，底腳布置與水平成20°～40°錨桿；金屬網(wǎng)采用Φ6 mm冷拔電焊鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm；噴射50 mm厚混凝土覆蓋金屬網(wǎng)；采用風(fēng)鉆打孔徑Φ=36 mm、孔深2 800 mm，間排距為1 800 mm×1 200 mm的鉆孔，用4分鋼管進(jìn)行淺孔注漿，注漿壓力為3 MPa。

二次加強(qiáng)支護(hù)采用Φ22 mm×3 000 mm Ⅳ級左旋無縱筋螺紋鋼加長錨桿配和2支Z2535中速樹脂藥卷；金屬網(wǎng)采用Φ6 mm冷拔電焊鋼筋網(wǎng)；復(fù)噴50 mm后混凝土斷面布置5根Φ=21.6 mm×8 000 mm中空注漿錨索，排距為1 600 mm，每根錨索配300 mm×300 mm×15 mm高強(qiáng)度拱形托盤和4支Z2535中速樹脂藥卷，錨索施工在工作面后方30～40 m處施工，注漿壓力為5～7 MPa。

為了驗(yàn)證巷道實(shí)施“雙層錨網(wǎng)+中空注漿錨索”支護(hù)效果，對圍巖變形進(jìn)行位移監(jiān)測。 實(shí)施支護(hù)后，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷玫接行У目刂?，最大頂?shù)装遄冃瘟靠刂圃?80 mm以內(nèi)，兩幫最大移近量為253 mm，比最初方案變形分別減少了85%和86%，錨索受力在100～120 kN趨于穩(wěn)定，說明破碎圍巖在漿液作用下構(gòu)成較好的完整體，使得巷道布置的錨桿索發(fā)揮出良好的作用，具有較優(yōu)的控制效果，能夠滿足安全生產(chǎn)要求。

5 結(jié) 論

1) 山腳樹煤礦226軌道石門多次揭露煤層，圍巖節(jié)理較多且處于高應(yīng)力環(huán)境，支護(hù)結(jié)構(gòu)不能支撐圍巖變形阻力，原支護(hù)不能滿足控制巷道大變形的能力。

2) 通過巷道大變形的特點(diǎn)，分析破壞機(jī)理，提出注漿能夠提高圍巖的承載能力有利于巷道穩(wěn)定控制，并通過單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果及壓汞實(shí)驗(yàn)分析得到最優(yōu)配比漿液，超細(xì)水泥占70%，水灰比為0.45∶1。

3) 根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出的最佳配比結(jié)果，針對山腳樹226軌道石門破碎圍巖巷道提出“雙層錨網(wǎng)+中空注漿錨索”聯(lián)合支護(hù)方案，并現(xiàn)場進(jìn)行注漿實(shí)驗(yàn)及巷道變形監(jiān)測，與原方案相比頂?shù)装遄冃瘟繙p少了85%，兩幫變形量減小了86%，錨索受力在100～120 kN趨于穩(wěn)定，提出的聯(lián)合支護(hù)方案和漿液對巷道圍巖具有良好控制能力。