破碎圍巖層次注漿加固在掘進巷過斷層的應用

張 昭

(晉能控股煤業(yè)集團 大西煤礦， 山西 晉城 048000)

煤礦井下工作面回采時，通常會揭露空間賦存形態(tài)不同的斷層[1-2]. 斷層上下盤有明顯的相對位移，致使斷層帶有較強的應力集中現(xiàn)象(導致圍巖裂隙發(fā)育)，致使圍巖破碎。巷道掘進時，由于斷層和采掘的疊加影響，加劇圍巖破碎程度，使錨桿索失去錨固力，也給注漿施工帶來不便[3-5].

1 工程研究背景

大西煤礦3018綜采工作面回采3#煤層，埋深313～436 m，平均煤厚3.5 m，煤層傾角2°～7°，為近水平煤層。工作面走向長718 m，傾向長180 m，煤層頂?shù)装鍡l件良好，直接頂是3.1 m厚的泥巖，基本頂是14.5 m厚的灰色細粒砂巖，直接底是頁狀3.11 m厚的砂質(zhì)泥巖，基本底是5.5 m厚的粉砂巖。工作面布置見圖1.

圖1 3018工作面布置及斷層產(chǎn)狀圖

3018工作面采用“U”型通風方式，工作面整體東西走向布置，在3018回風順槽掘進150 m左右時，揭露正斷層FY08.

根據(jù)探測結(jié)果可知，斷層空間展布狀態(tài)為傾向151°，傾角42°，落差1.5 m. 斷層東西方向長度30～45 m，南北方向長度50～60 m，斷層前后10～20 m煤層的頂?shù)装逵?～1.5 m落差的起伏段，實體煤一側(cè)幫部較破碎，嚴重影響巷道支護的施工。

2 分層次注漿加固技術(shù)

巷道圍巖破碎不僅使巷道承載能力降低，造成片幫、冒頂?shù)劝踩鹿?，并且影響錨桿索的支護效果。如采用單體支柱會加劇頂板破碎，錨桿無法有效錨固煤體，注漿時漏漿嚴重，影響注漿加固的范圍。因此，針對斷層影響下破碎圍巖的注漿，首先加固淺部破碎的圍巖，隨后進行內(nèi)部斷層圍巖的加固。

2.1 單一層次注漿加固機理

注漿加固通常采用單一層次范圍的注漿工藝。淺部圍巖破碎，裂隙發(fā)育，有良好的漿液流動通道，該工藝對于淺部圍巖完整性良好，中深部裂隙發(fā)育的煤巖體加固比較實用，對于深部圍巖裂隙發(fā)育降低，過斷層時有較發(fā)育的節(jié)理破碎帶情況的巷道較不適用，此情況的巷道圍巖注漿加固機理見圖2.

圖2 單一層次注漿加固過程示意圖

由圖2a)可以看出，煤巖體內(nèi)部裂隙比較發(fā)育，淺部圍巖破碎，當采用單一層次注漿加固時，注漿管直接插入煤體內(nèi)部展開注漿，可以有效加固注漿管范圍內(nèi)的裂隙。隨著注漿的進行，見圖2b)，部分漿液從內(nèi)向外流至破碎區(qū)，由于距離較遠，而且是反向流動，使?jié){液無法完全充填破碎圍巖。外部圍巖不能封堵致使注漿壓力無法增大，漿液無法流入到更深部位，影響注漿效果。

2.2 分層次注漿加固機理

根據(jù)巷道受斷層和采掘影響及淺部圍巖和深部斷層帶較破碎的特征，提出分層次注漿加固技術(shù)，加固機理見圖3.

圖3 分層次注漿加固過程示意圖

由圖3可知，在注漿初期，首先對淺部的圍巖進行加固，主要采用“兩堵一注”的工藝，將圍巖淺部的塑性區(qū)加固，能夠有效填充淺部裂隙，也能適當加固中部圍巖裂隙。隨后待漿液完全與煤巖體膠結(jié)后，展開深部圍巖的注漿加固，見圖3b). 初期對淺部破碎圍巖加固，能夠提高圍巖完整性，防止發(fā)生漏漿，解決注漿壓力無法增大的問題。當淺部圍巖裂隙被充填后，能夠形成有效的密閉空間，有助于漿液在深部裂隙煤巖體中擴散。

3 巷道支護及注漿加固研究

由于巷道實體煤幫部圍巖破碎，影響錨桿索支護施工，故而首先需要對巷道展開層次注漿加固，隨后進行錨桿索支護補強。

3.1 層次注漿加固方案

根據(jù)斷層產(chǎn)狀和探測結(jié)果，斷層最大影響范圍東西走向長為65 m，傾向最大為60 m. 因此，注漿加固范圍在回風順槽的140～225 m，共85 m，注漿深度設計為70 m.

回風順槽沿煤層頂板掘進，巷道斷面為矩形,掘?qū)?.5 m，掘高4 m. 采用層次注漿加固的方法，第一階段淺部注漿深度為10 m，注漿孔上下兩排設計，注漿鉆孔布置見圖4.

圖4 注漿鉆孔布置示意圖

由圖4可知，注漿鉆孔呈“三花眼”布置，上排鉆孔距離底板3.0 m，上下排鉆孔垂直距離為1.0 m. 上排注漿鉆孔仰角為3°，下排鉆孔垂直于煤幫設計。由于淺部煤體破碎，注漿壓力一般為3 MPa，范圍內(nèi)共施工鉆孔32個。

淺部注漿完成，待漿液完全與煤體膠結(jié)后展開深孔注漿。深孔注漿則利用已施工的淺孔，在其基礎上繼續(xù)鉆進至70 m深度，可以大大提高鉆進效率，也能減小對煤體二次鉆探擾動，注漿壓力選擇在10～15 MPa.

如果出現(xiàn)漏漿等現(xiàn)象，需要適當減小壓力或者暫停注漿，待漿液固結(jié)后繼續(xù)。注漿加固選擇單液無機注漿材料，由于淺部注漿需要漿液快速凝固，封堵淺部裂隙，對流動度要求較低，因此選擇水灰比較小為0.6∶1. 深部注漿加固需要漿液流動時間較長，需要較長的初凝時間，也需要有良好的流動度，因此水灰比選擇為1.0∶1，統(tǒng)計可得最大單孔注漿量為3.6 t.

3.2 錨桿索支護方案

完成注漿加固后，巷道煤體的完整性提高，需要展開巷道錨索網(wǎng)聯(lián)合支護補強。巷道斷面支護示意圖見圖5.

圖5 巷道斷面支護示意圖

巷道頂板錨桿采用d20 mm×2 400 mm的高強度螺紋鋼錨桿，每排5根，兩頂角錨桿設計的傾斜角度為70°，錨桿的間、排距為800 mm×1 000 mm. 錨索采用規(guī)格為d17.8 mm×7 200 mm的鋼絞線錨索，間、排距2 000 mm×1 800 mm.

巷道兩幫采用的錨桿規(guī)格一致，均為d18 mm×1 800 mm的玻璃鋼錨桿。每幫設計錨桿3根，間距為2 000 mm，排距為1 500 mm，上排錨桿仰角設計為15°，中間和下排錨桿均垂直于煤體布置，下排錨桿距離底板500 mm.

3.3 巷道加固效果檢驗

為了檢驗注漿加固的效果，在注漿施工前，對注漿范圍內(nèi)巷道布置變形觀測點。以揭露斷層處為中心，每隔10 m，用十字布點法設置觀測點，觀測巷道的變形速率。揭露斷層處的巷道變形速率見圖6.

圖6 巷道變形速率特征曲線圖

由圖6可知，注漿前，巷道整體變形速率較大，由于圍巖發(fā)揮自身承載力，變形速率逐漸減小。注漿加固后，初期監(jiān)測的15 d內(nèi)，巷道底鼓速率最大，約為3.3 mm/d，巷道兩幫平均移近量為2.5 mm/d，頂板下沉速率最小為0.4 mm/d.

注漿加固15 d后，巷道變形速率進一步減小，其中兩幫移近量減小至0.28 mm/d，是原來兩幫變形速率的11.2%，說明注漿加固對巷道變形控制效果明顯。

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)掘進巷道受采掘和斷層疊加作用，淺部破碎-中部完整-深部破碎的特點，提出層次注漿加固工藝。

2) 分析單次注漿和層次注漿加固機理，設計了3018回風順槽過斷層的巷道加固方案。

3) 巷道變形監(jiān)測結(jié)果表明，注漿加固后巷道兩幫移近量僅為原有變形速率的11.2%，注漿加固效果顯著。