巷道過(guò)斷層破碎帶注漿加固支護(hù)技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

李 平

（大同煤礦集團(tuán)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司山西大同037003）

0 引言

礦井巷道掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)穿過(guò)一些褶皺、斷層等地質(zhì)構(gòu)造帶，地質(zhì)構(gòu)造帶的存在造成影響范圍內(nèi)煤巖體有不同程度損傷破碎，當(dāng)巷道穿過(guò)煤巖體破碎區(qū)域時(shí)可能出現(xiàn)冒頂、片幫、底鼓等安全事故[1-3]。據(jù)相關(guān)資料顯示，冒頂作為井下最常見(jiàn)的頂板事故，約占礦井事故的40%以上，而掘進(jìn)冒頂事故約占礦井冒頂事故的70%以上[4]。因此，如何加強(qiáng)斷層破碎帶區(qū)域巷道圍巖穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。

針對(duì)巷道掘進(jìn)過(guò)斷層破碎帶時(shí)巷道支護(hù)困難、施工危險(xiǎn)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐[5-7]。盡管巷道過(guò)斷層破碎帶支護(hù)技術(shù)已取得了豐碩的成果，但巷道過(guò)斷層破碎帶注漿加固技術(shù)還需進(jìn)一步完善。鑒于此，本文以大同煤礦集團(tuán)北辛窯礦南翼輔助運(yùn)輸巷及聯(lián)絡(luò)巷為工程背景，在“錨網(wǎng)索+W鋼帶+礦工鋼+水泥背板”的基礎(chǔ)上進(jìn)行注漿加固聯(lián)合支護(hù)，有效保證了巷道圍巖的穩(wěn)定，可為同類(lèi)巷道進(jìn)行注漿加固支護(hù)技術(shù)提供參考。

1 工程概況

北辛窯煤礦14 采區(qū)揭露落差為2.5 m，走向?yàn)?6°，傾角為80°的斷層，該斷層直接將2煤區(qū)域頂板下沉2.5 m，造成圍巖破碎且松軟，膠結(jié)性差，特別是2煤南翼輔助運(yùn)輸大巷I 段里程70 m～78 m 與99 m～120 m段，+1 040 m 南翼輔助運(yùn)輸大巷 1 340 m～1 395 m 段，15 聯(lián)絡(luò)巷里程16 m～38 m 段；同時(shí)斷層破碎帶造成巖石裂隙導(dǎo)水，對(duì)工作面安全生產(chǎn)帶來(lái)重大安全隱患。因此，嚴(yán)重影響井下正常作業(yè)有序開(kāi)展的同時(shí)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，故需對(duì)上述巷道斷層破碎帶架棚區(qū)域進(jìn)行注漿加固支護(hù)。

2 斷層區(qū)域巷道破壞機(jī)理分析

（1）斷層是巖層上下盤(pán)錯(cuò)動(dòng)發(fā)生明顯位移的地質(zhì)構(gòu)造，因此斷層上下盤(pán)之間的斷層帶內(nèi)巖石較破碎且?jiàn)A雜大量泥石混合物，內(nèi)雜物遇水會(huì)有明顯的膨脹性，會(huì)對(duì)巷道圍巖產(chǎn)生擠壓作用，不利于巷道支護(hù)。

（2）巷道過(guò)斷層帶的圍巖破碎較為嚴(yán)重，且膠結(jié)性較差，在巷道開(kāi)挖擾動(dòng)下，應(yīng)力重新分布非，極易發(fā)生大面積破碎與垮落現(xiàn)象。

（3）由于斷層區(qū)域處構(gòu)造應(yīng)力較為復(fù)雜，巷道穿過(guò)斷層時(shí)，其軸向與構(gòu)造水平應(yīng)力往往會(huì)存在一定的夾角。夾角的存在使得巷道原本破碎的頂?shù)装逶谒綉?yīng)力的影響下更易發(fā)生剪切及拉伸破壞，進(jìn)而使得斷層處巷道圍巖整體發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3 巷道過(guò)斷層帶注漿加固支護(hù)技術(shù)

3.1 注漿加固方案設(shè)計(jì)

目前以上四處區(qū)域均架棚支護(hù)，且使用水泥背板接頂充填并已噴漿，設(shè)計(jì)方案中：每排打設(shè)7根3 m長(zhǎng)注漿管進(jìn)行注漿，如圖1所示。具體如下：用錨桿鉆機(jī)打設(shè)注漿孔并穿注漿管，然后進(jìn)行壁后注漿，將鋼棚與圍巖充填水泥背板的內(nèi)部空間用漿液充填灌滿(mǎn)；注漿孔按照3 m一排布置，每排7根，即正頂一根，兩側(cè)肩窩至墻各三根，將鋼棚與圍巖充填水泥背板的內(nèi)部空間用漿液充填灌滿(mǎn)。此外，采用φ42 mm 鉆頭鉆孔，3 m長(zhǎng)φ40 mm鍍鋅管，可確保注漿管穿入巖壁2 m以上。

圖1 注漿管布置示意圖

3.2 注漿加固支護(hù)施工工藝流程

（1）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在確定施工具體工藝參數(shù)前，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)，本次施工試驗(yàn)段選取巷道一段即1 340 m～1 395 m 范圍?；竟に噮?shù)如下：根據(jù)注漿壓力、深度變化調(diào)整壓力；保持固定壓力0.5 h，觀測(cè)注漿量，進(jìn)行記錄；注漿完成，采取鉆孔窺視法對(duì)注漿充填率進(jìn)行注漿前后成果檢查對(duì)比，進(jìn)而根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定本次注漿工藝參數(shù)。

（2）定注漿孔下套管

根據(jù)設(shè)計(jì)注漿孔位置并鉆設(shè)注漿孔，直徑42 mm，深度2 m，下入直徑φ40 mm 套管，安裝套管，采用水泥進(jìn)行加固封閉套管，然后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，圖2所示。

（3）壓水試驗(yàn)

在每次注漿前后均應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，注漿前后的壓水試驗(yàn)可以沖洗鉆孔、檢查注漿效果、測(cè)定地層吸水率和透水性能等，為泵壓、泵量和漿液配比的選擇確定提供可靠依據(jù)。

圖2 定注漿孔下套管示意圖

（4）注漿

注漿加固目標(biāo)層位為K3砂巖含水層，采用分段下行式注漿配合孔口止?jié){方式；若注漿孔在施工過(guò)程遇較大空洞、裂隙而導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，注漿段可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；注漿需達(dá)全鉆孔注漿標(biāo)準(zhǔn)，反之每次注漿后均需壓水；如注漿材料為雙料漿液，則停止注漿后待孔口壓力歸零立即掃孔。

具體注漿施工工藝如下：在套管法蘭盤(pán)上安裝注漿管口，連接高壓球閥。根據(jù)漿液流量、注漿壓力特征動(dòng)態(tài)調(diào)整漿液水灰比，采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，各鉆孔可根據(jù)實(shí)際注漿情況依照水灰比1:1、0.9:1……0.5:1等級(jí)別進(jìn)行漿液稀稠調(diào)節(jié)，首次開(kāi)注水灰比可采用1:0.4比級(jí)，必要時(shí)可灌注水泥-水玻璃漿液，水玻璃采用模數(shù)為2.4～3.4，濃度為30～45 波美度。注漿泵選用2ZBSB1.92～7.2/10.5～3-11雙液變量注漿泵，注漿前后控制漿液由稀到濃，根據(jù)具體情況逐步提高漿液濃度和注漿壓力；注漿隨深度的不同，注漿壓力應(yīng)隨時(shí)調(diào)節(jié)，當(dāng)注漿達(dá)到下列標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可結(jié)束該孔注漿：①注漿段注漿壓力最終注漿壓力（≥3 MPa），10 min持續(xù)注漿量不大于5 L/min；②當(dāng)注漿孔口壓力突然上升時(shí)，注漿難以注入時(shí)。注漿過(guò)程中檢查壓力、流量、漿液及周?chē)h(huán)境變化，認(rèn)真記錄并及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)，做到施工過(guò)程動(dòng)態(tài)控制，記錄注漿時(shí)間、漿液消耗量及注漿壓力等數(shù)據(jù)，觀察壓力表值，監(jiān)控聯(lián)通裝置，避免因壓力猛增而發(fā)生異常情況。

（5）封孔

注漿結(jié)束后，及時(shí)進(jìn)行封堵注漿孔，封孔采用“全孔注漿封孔法”施工法。

4 注漿加固支護(hù)效果分析

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，雖然對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行了大范圍注漿，仍不能完全抵制圍巖蠕變變形，但頂板變行在可控范圍內(nèi)。通過(guò)注漿，破碎帶巖體中孔裂隙造成的缺失空間得到有效充填，弱化了巖體應(yīng)力集中程度，并使得裂隙附近巖體由二向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)；此外，注漿還有效遏制了開(kāi)挖后圍巖的漸近弱化，增大了圍巖的強(qiáng)度與變形模量，最終提高了巷道圍巖穩(wěn)定性。這表明注漿加固護(hù)支護(hù)技術(shù)效果良好，能有效保障井下作業(yè)安全高效開(kāi)展。

5 結(jié)論

（1）巷道處于斷層破碎帶時(shí)，圍巖破碎較為嚴(yán)重，且膠結(jié)性較差，親水礦物易膨脹崩解，在巷道開(kāi)挖擾動(dòng)下，應(yīng)力重新分布非，極易發(fā)生大面積破碎與垮落現(xiàn)象，進(jìn)而使得巷道圍巖呈現(xiàn)穩(wěn)定性差、較為破碎以及易導(dǎo)水等特征。采用原有巷道支護(hù)方式時(shí)，無(wú)法滿(mǎn)足軟弱關(guān)鍵部位的支護(hù)剛度和強(qiáng)度要求，巷道控制效果差。

（2）提出一種聯(lián)合支護(hù)方式，在“錨網(wǎng)索+W鋼帶+礦工鋼+水泥背板”的基礎(chǔ)上，采用注漿加固支護(hù)技術(shù)，使得破碎帶巖體中孔裂隙造成的缺失空間得到有效充填，弱化了巖體應(yīng)力集中程度，增大了圍巖的強(qiáng)度與變形模量，來(lái)實(shí)現(xiàn)巷道可允許變形下的條件。

（3）對(duì)北辛窯煤礦的典型穿斷層巷道段，進(jìn)行了注漿加固聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)效果表明，頂板變形得到有效控制，最終提高了巷道圍巖穩(wěn)定性。