巷道掘進(jìn)過地質(zhì)構(gòu)造帶的注漿加固技術(shù)研究

王曉東

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦， 河南 平頂山 467000）

復(fù)雜的井下環(huán)境導(dǎo)致巷道掘進(jìn)過程中極易遇到斷層、褶曲、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，此類地質(zhì)構(gòu)造對(duì)于周圍巖體的結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性具有較大影響，給巷道的正常掘進(jìn)工作帶來較大難度，在掘進(jìn)經(jīng)過該區(qū)域時(shí)，常常出現(xiàn)底鼓、冒頂和圍巖變形量超標(biāo)等現(xiàn)象[1-3]。針對(duì)底鼓和圍巖變形量超標(biāo)等現(xiàn)象，通常采用加強(qiáng)圍巖支護(hù)的方式即可進(jìn)行較好地控制，但是對(duì)冒頂事故的控制卻較為困難，且對(duì)操作人員的人身安全具有一定威脅。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，煤礦事故中冒頂事故發(fā)生率約占總事故數(shù)的40%，而巷道掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的冒頂事故數(shù)又占到冒頂總事故數(shù)的70%左右。由此可見，特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)域的圍巖整體性和穩(wěn)定性對(duì)巷道的掘進(jìn)工作乃至礦井的安全工作都具有重要影響。

注漿是增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性的重要舉措之一，本文選取30906 回風(fēng)巷過斷層構(gòu)造作為研究對(duì)象，通過注漿手段很好地解決了頂板冒落和圍巖變形量超標(biāo)等問題，并且在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果[4]。

1 工程概況

山西某礦30906 綜采工作面處于三盤區(qū)中部，當(dāng)前綜采面的主采煤層為9 號(hào)煤層，煤層均厚為4.2 m，平均傾角為5°，平均埋深406 m。9 號(hào)煤層的特點(diǎn)為煤層儲(chǔ)量較大、全區(qū)均為可開采區(qū)域。煤層頂板的主要組成為泥巖和細(xì)砂巖，煤層底板的主要組成為泥質(zhì)粉砂巖以及粉砂巖。當(dāng)前該礦已經(jīng)完成了30901、30902、30903 等多個(gè)工作面的綜采任務(wù)，在工作面回采過程中由于受斷層、破碎煤巖體帶等地質(zhì)環(huán)境影響，導(dǎo)致巷道圍巖的變形量整體超標(biāo)。

30906 回風(fēng)巷巷道斷面為矩形，高度和寬度分別為3100mm和4500mm，方案擬定掘進(jìn)距離為1680m。當(dāng)前巷道整體采用錨桿+U 型鋼的支護(hù)形式，通過綜采面揭露的地質(zhì)情況以及該區(qū)域的地質(zhì)資料顯示發(fā)現(xiàn)，巷道掘進(jìn)過程中將會(huì)經(jīng)過多個(gè)斷層和煤巖體破碎區(qū)，給巷道圍巖的控制帶來了極大的挑戰(zhàn)。

2 巷道掘進(jìn)過地質(zhì)構(gòu)造的注漿加固技術(shù)

傳統(tǒng)的巷道掘進(jìn)加固技術(shù)是在巷道掘進(jìn)經(jīng)過特殊地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，通過增加錨索和錨桿數(shù)量以及加設(shè)U型架棚的方式提升圍巖的支護(hù)強(qiáng)度，該方式雖然能夠在一定程度上降低圍巖的變形量，但是由于裂隙并未得到填補(bǔ)，會(huì)導(dǎo)致圍巖的整體性和自身強(qiáng)度并未得到實(shí)質(zhì)性改進(jìn)[5]。通過注漿的方式能夠?qū)鷰r的裂隙充滿，大幅提升圍巖的內(nèi)摩擦角、黏聚力等力學(xué)參數(shù)。30906回風(fēng)巷經(jīng)過特殊地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域時(shí)，由開采應(yīng)力的作用導(dǎo)致圍巖裂隙增加，因此需要采取注漿和噴漿的方式進(jìn)行圍巖加固，注漿區(qū)域主要包括頂板和幫部，采用錨索進(jìn)行輔助支護(hù)；噴漿的區(qū)域主要包括頂板和幫部，為了確保噴漿的效果，噴漿厚度不得低于100 mm[6]。采取頂板注漿和巷幫錨索補(bǔ)強(qiáng)的方式對(duì)特殊地質(zhì)區(qū)域進(jìn)行圍巖控制，能夠提升圍巖的整體性和穩(wěn)定性，也能夠避免注漿量過大給巷道正常掘進(jìn)帶來的阻礙。

2.1 頂板注漿加固鉆孔布置

巷道掘進(jìn)至特殊地質(zhì)區(qū)域時(shí)，在巷道頂板加設(shè)3排注漿錨索，兩側(cè)錨索和兩幫間的距離為0.8 m，傾斜角度為65°，中間錨索和巷道頂板互相垂直。為了確保注漿效果的一致性和注漿質(zhì)量，3 排注漿錨索的長(zhǎng)度均為8.0 m，相鄰錨索間的距離為2.0 m。為了避免注漿過程對(duì)綜采作業(yè)面的正常開采產(chǎn)生影響，采用錨索進(jìn)行輔助支護(hù)。巷道頂板注漿孔、巷幫錨索布置示意圖如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 巷道頂板注漿孔、巷幫錨索布置示意圖（mm）

2.2 注漿鉆孔施工工藝

為了避免注漿過程中產(chǎn)生串孔現(xiàn)象，通過分步注漿的方式增強(qiáng)注漿加固的效果。具體方式為首先對(duì)兩側(cè)注漿錨索進(jìn)行搭設(shè)，搭設(shè)完畢后再對(duì)中間錨索進(jìn)行搭設(shè)。

注漿材料采用聯(lián)邦加固1 號(hào)（雙液）材料，該型號(hào)材料的優(yōu)勢(shì)在于凝固速度較快、結(jié)石率較高、圍巖滲透性強(qiáng)等。材料使用過程中，通過對(duì)水灰質(zhì)量比進(jìn)行控制，能夠有效控制膠結(jié)強(qiáng)度和膠結(jié)時(shí)間。該方案選取的水灰質(zhì)量比為0.8∶1，注漿的凝固時(shí)間約為3 min，完全固化的時(shí)間約為15 min；膠結(jié)8 h 后，對(duì)圍巖的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，圍巖的抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度分別為12 MPa 和2 MPa。

頂板注漿過程中，注漿孔封堵長(zhǎng)度不得低于2.0 m，注漿壓力不得超過4 MPa。為了避免注漿壓力過大造成頂板的破壞，應(yīng)當(dāng)對(duì)注漿過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。注漿量以注漿狀態(tài)為準(zhǔn)，一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔處出現(xiàn)大量注漿溢出或者注漿過程中壓力數(shù)值過大時(shí)，即刻停止注漿。

2.3 錨桿索支護(hù)方案

注漿完畢后，巷道圍巖的整體性得到了顯著提升，在此基礎(chǔ)上通過錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)的方式提升圍巖的穩(wěn)定性。巷道斷面支護(hù)示意圖如圖2 所示。

圖2 巷道斷面支護(hù)示意圖（mm）

巷道頂板錨桿選取高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨桿的直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 400 mm，每排錨桿的數(shù)量為5 根，相鄰錨桿間的距離為800mm，排距為1000mm。錨索選取鋼絞線錨索，錨索直徑為17.8 mm，長(zhǎng)度為7 200 mm，相鄰錨索間的距離為2 000 mm，排距為1 800 mm。

巷幫錨桿采用玻璃鋼錨桿，錨桿的直徑為18 mm，長(zhǎng)度為1 800 mm。每幫錨桿的數(shù)量為3 根，相鄰錨桿間的距離為2 000 mm，排距為1 500 mm，上排錨桿和底板的夾角為15°，中間以及下排錨桿和頂板保持垂直，下排錨桿和底板間的距離為500 mm。

3 注漿加固效果分析

在巷道掘進(jìn)至地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊區(qū)域時(shí)，通過采取頂板注漿、圍巖噴漿及錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的方式降低圍巖變形量、提升圍巖的整體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)整體性。注漿完畢后，對(duì)巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛧鷰r的變形量變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可看出，注漿加固后，在巷道掘進(jìn)過程中注漿區(qū)域未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，頂?shù)装搴拖飵蛧鷰r的變形量分別為140 mm 和37 mm。根據(jù)圍巖變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，通過頂板噴漿、錨索補(bǔ)強(qiáng)巷幫和頂板噴漿的形式，能夠顯著提升圍巖結(jié)構(gòu)的整體性和支護(hù)強(qiáng)度，使得圍巖變形量和支護(hù)效果顯著增強(qiáng)。

圖3 圍巖變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

1）由于30906 回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中會(huì)經(jīng)過多個(gè)斷層和煤體破碎帶，導(dǎo)致巷道圍巖的整體性和支護(hù)強(qiáng)度難以滿足實(shí)際需求。因此針對(duì)特殊地質(zhì)區(qū)域的實(shí)際圍巖特征，采取注漿、錨索補(bǔ)強(qiáng)和噴漿的方式進(jìn)行巷道圍巖的加固。由于圍巖裂隙集中于頂板區(qū)域且掘進(jìn)過程中會(huì)出現(xiàn)裂隙發(fā)育等現(xiàn)象，因此采取注漿的方式進(jìn)行頂板的加固；通過錨索進(jìn)行巷幫的補(bǔ)強(qiáng)，避免注漿過程對(duì)巷道正常掘進(jìn)產(chǎn)生影響。

2）根據(jù)掘進(jìn)巷道圍巖的實(shí)際情況，采取頂板注漿和巷幫錨索補(bǔ)強(qiáng)的方式加強(qiáng)圍巖強(qiáng)度。經(jīng)在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，巷道掘進(jìn)經(jīng)過特殊地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域時(shí)，在該種加固方式下的圍巖整體性和變形量均控制在合理范圍內(nèi)。