弱沖環(huán)境下巷道注漿加固支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用

李衍磊，張忠正(棗莊礦業(yè)(集團(tuán))濟(jì)寧七五煤業(yè)公司，山東 棗莊 277000)

0 引言

棗莊礦業(yè)(集團(tuán))濟(jì)寧七五煤業(yè)公司3上煤層南二采區(qū)3上215工作面為孤島型工作面，3上215運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長度為927 m(平距)，與采空區(qū)相鄰，中間留有保護(hù)煤柱4 m。目前，3上215運(yùn)輸巷已掘進(jìn)完畢，工作面為弱沖、沿空掘進(jìn)，圍巖壓力有所顯現(xiàn)，巷道受礦壓及采動影響，整個巷道的煤巖層穩(wěn)定性較差，后期受采動影響，采空區(qū)側(cè)的巷幫必會出現(xiàn)嚴(yán)重收斂及底鼓量現(xiàn)象，影響安全使用，不利于回采工作面巷道管理及維護(hù)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況， 對采空區(qū)側(cè)的巷幫580 m距離進(jìn)行固化支護(hù)，采用一層次注漿(注漿錨桿注漿加固)。此次應(yīng)用將為該礦孤島工作面的回采安全創(chuàng)造條件。3上215運(yùn)輸巷一層次注漿鉆孔如圖1所示。

圖1 3上215運(yùn)輸巷一層次注漿鉆孔布置圖

1 破壞狀況分析

(1)目前采用的支護(hù)形式仍然是以錨桿懸吊及組合梁，沒有固結(jié)圍巖和保護(hù)錨桿的著力點(diǎn)和支護(hù)阻力，特別是弱沖底層，必然阻止不了高地應(yīng)力帶來的巷道大變形和圍巖流漏出現(xiàn)的支護(hù)體破壞造成的巷道垮冒現(xiàn)象。

(2)“軟弱泥巖”和采動圍巖狀態(tài)下，單獨(dú)錨桿支護(hù)難以構(gòu)建新的組合拱，不能充分發(fā)揮錨桿的基本支護(hù)應(yīng)有作用[1]。

(3)沒有針對“軟弱泥巖”和采動圍巖進(jìn)行立體固化，使錨桿錨索沒有著力點(diǎn)，沒有形成多層次聯(lián)合支護(hù)，錨桿支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)作用沒有得以發(fā)揮[1]。

(4)錨桿單一支護(hù)單元，沒有相關(guān)支護(hù)單元配合互補(bǔ)，使其所具有的復(fù)合支護(hù)作用難以發(fā)揮，形成不了控制圍巖穩(wěn)定的作用[1]。

(5)巷道施工中揭露的較大斷層和裂隙發(fā)育帶、煤巖層節(jié)理發(fā)育及淋水帶，煤巖層穩(wěn)定性較差，是巷道支護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，巷道極易出現(xiàn)兩幫收斂和掉頂現(xiàn)象，是重點(diǎn)注漿固化的關(guān)鍵部位。

(6)3上215運(yùn)輸巷，作為回采工作面的超前巷道，受工作面超前采動影響，會快速破壞和大變形。

(7)巷道是布局為小煤柱開采巷道，小煤柱留寬4 000 mm；在掘進(jìn)過程中和采動過程中歷經(jīng)兩次來壓；巷道圍巖和支護(hù)都會帶來較大壓力，特別是對小煤柱的煤體破壞，巷道壓力進(jìn)一步增大，加劇了對巷道的破壞程度。所以，采取注漿固化設(shè)計(jì)是科學(xué)的和必要的。以封閉軟弱煤巖體為基礎(chǔ)，通過以強(qiáng)韌封層、充分注漿、可靠固結(jié)圍巖，提升錨桿工作阻力的整體思路，來保證巷道的圍巖控制和支護(hù)的穩(wěn)定。

2 注漿加固支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 研究設(shè)計(jì)思路

以封閉軟弱圍巖的軟弱巖煤體為基礎(chǔ)，通過以強(qiáng)韌封層、充分注漿、可靠固結(jié)圍巖，提升錨桿工作阻力的整體思路，來保證巷道的圍巖控制和支護(hù)的穩(wěn)定。根據(jù)軟弱煤巖體巷道圍巖的受力和破壞的特征，必須從傳統(tǒng)的支護(hù)思路框架中跳出來，采用主動動態(tài)的支護(hù)思路，主動固結(jié)改善圍巖的極易碎脹破壞的性能，提升圍巖的整體性和自身承載能力，以期在巷道服務(wù)年限里保持巷道的長久穩(wěn)定。

針對3上215運(yùn)輸巷巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及巷道支護(hù)強(qiáng)度不強(qiáng)的情況，擬采用提高錨桿支護(hù)層次和錨桿支護(hù)密度對巷道圍巖重新進(jìn)行支護(hù)加固，采用一層次注漿封閉軟弱煤巖體和固結(jié)極易膨脹破碎支護(hù)技術(shù)；其主要原理是巖石力學(xué)、錨注支護(hù)原理和動態(tài)注漿加固機(jī)理的結(jié)合。

2.2 技術(shù)支撐

目前，注漿加固支護(hù)技術(shù)僅有淮北市平遠(yuǎn)軟巖支護(hù)工程技術(shù)有限公司擁有相關(guān)專利技術(shù)，該公司在礦山的軟巖支護(hù)、防水治水等困難工程提供經(jīng)常性的技術(shù)咨詢、施工工藝指導(dǎo)和示范工程施工等系列服務(wù)。迄今，該公司先后在安徽、河南、山東、陜西、河北等地承擔(dān)多個國有大型煤礦企業(yè)以及市、省、科技部和國家重大技術(shù)難題。在深部礦井高應(yīng)力巷道支護(hù)和復(fù)雜條件下硐室支護(hù)穩(wěn)定率較好、巷道移變量低于6%，同等困難巷道支護(hù)成本降低30%～40%以上。通過與該公司合作，對3上215運(yùn)輸巷弱沖環(huán)境注漿加固支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究應(yīng)用。

注漿加固支護(hù)原理：

(1)通過注漿圍巖軟弱巖煤體的自身強(qiáng)度得以再次提高。

(2)通過對圍巖的注漿，圍巖內(nèi)部應(yīng)力傳遞方式得以改變，淺部圍巖內(nèi)應(yīng)力得以提升，從而降低了深淺部圍巖應(yīng)力差，有效緩解應(yīng)力傳遞速度和力度[2]。

(3)通過注漿，使破壞松散的圍巖體再次固結(jié)，離層的巖層黏結(jié)閉合，錨桿損失的著力點(diǎn)得以鞏固，補(bǔ)充封閉錨桿、錨索外口空間，盡而達(dá)到全長錨固支效果[2]。

2.3 固化支護(hù)原則

(1)保證巷道加固后保持巷道穩(wěn)定，并使巷道的變形量確保在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，從支護(hù)方案及支護(hù)機(jī)理上，要著眼于噴漿封閉軟弱巖煤體錨桿錨注聯(lián)合支護(hù)，以提高圍巖自身承載能力，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性封層、穩(wěn)壓注漿膠結(jié)主動支護(hù)、保證支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原則。

(2)要充分考慮到受強(qiáng)膨脹圍巖來壓快、變形量大和破碎極其嚴(yán)重的特點(diǎn)，采用支護(hù)重點(diǎn)在于對弱結(jié)構(gòu)巖層和極軟弱煤層造成巷道頂板兩幫破壞的嚴(yán)重地段，進(jìn)行放頂和擴(kuò)幫，進(jìn)行補(bǔ)錨補(bǔ)噴進(jìn)行注漿固結(jié)圍巖。

(3)施工過程中嚴(yán)格把控施工技術(shù)與安全生產(chǎn)的相互銜接、相互協(xié)調(diào)和相互促進(jìn)，以安全為先，技術(shù)把關(guān)，達(dá)到巷道施工安全，后期巷道支護(hù)穩(wěn)定、使用壽命增長、服務(wù)于礦井安全生產(chǎn)的原則。

2.4 施工方法

2.4.1 施工方法

采用風(fēng)鉆、錨桿鉆機(jī)打注注漿錨桿，人工拌料噴漿機(jī)配合噴漿封閉圍巖；采用注漿泵配合風(fēng)動攪拌機(jī)對圍巖進(jìn)行注漿加固。

2.4.2 錨注固化支護(hù)參數(shù)與要求

(1)在底腳槽內(nèi)打注加固錨桿(加固錨桿采用Φ22×2 200 mm的高強(qiáng)錨桿，排距800 mm)。

(2)注漿錨桿：采用Φ20×2 000 mm的自固自封內(nèi)自閉注漿錨桿，每排4根，孔深2 600 mm。

(3)注漿錨桿間排距：單幫注漿1 300×1 800 mm

(4)表層噴漿層次：為2個層次，每個層次為 30～50 mm；噴層總厚度60～100 mm；混凝土強(qiáng)度≥20 MPa；

(5)清挖采空區(qū)側(cè)巷幫底腳槽：深×寬=300×300 mm，補(bǔ)打底腳注漿錨桿。

單幫一層次注漿錨桿布置斷面如圖2所示。

圖2 單幫一層次注漿錨桿布置斷面圖

2.4.3 工藝流程

一層次、二層次噴漿達(dá)標(biāo)→打注安裝注漿錨桿→進(jìn)行注漿固化(開挖采空區(qū)側(cè)底腳槽)→底腳槽內(nèi)打注漿錨桿→噴漿封填底腳槽→底腳槽注漿錨桿注漿。

2.4.4 技術(shù)要求

(1)噴漿前，錨網(wǎng)索帶支護(hù)施工到位，巷道斷面尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

(2)及時采取一、二層次噴漿封閉軟弱巖煤體，即噴漿封閉軟弱巖煤體：

①采取次薄噴技術(shù)，每層噴層厚度30～40 mm，噴層總厚度60～80 mm。

②混凝土配比即水泥、黃砂、石子的比例為1∶1.5∶1。

(3)用自固自封內(nèi)自閉注漿錨桿進(jìn)行注漿：

①必須采用自固自封內(nèi)自閉注漿錨桿；

②注漿壓力控制在2.0～3.0 MPa；

③注漿水泥標(biāo)號：525#；

④注漿水泥漿液配比即水泥與水的比例為0.6～0.7∶1.0；

⑤注漿孔深度：幫頂注漿孔深度2 600 mm；底腳部注漿孔深度2 200 mm，向底板傾角為15～30°。

3 注漿加固支護(hù)效果檢驗(yàn)

效果檢驗(yàn)可采取在巷道單幫側(cè)設(shè)置“圍巖觀測點(diǎn)”，從頂板距幫一定距離掛鉛垂線，每隔100 m設(shè)一處圍巖觀測點(diǎn)，初始值為1 000 mm，每兩周讀取一次觀測記錄數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)注漿加固支護(hù)效果。巷道注漿前加固前圍巖變形量觀測數(shù)據(jù)如表1所示。巷道注漿加固后圍巖變形量觀測數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 巷道注漿前加固前圍巖變形量觀測數(shù)據(jù)表 單位：mm

表2 巷道注漿加固后圍巖變形量觀測數(shù)據(jù)表 單位：mm

通過對注漿加固支護(hù)前后區(qū)域的現(xiàn)場檢查和周期數(shù)據(jù)來看，采用注漿加固支護(hù)技術(shù)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，有效控制圍巖變形和底鼓現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖可控。

4 結(jié)語

七五煤業(yè)公司3上215運(yùn)輸巷在小煤柱中進(jìn)行注漿加固，有效地保護(hù)了煤柱整體穩(wěn)定性，提高了煤柱的承載能力，確保了3上215工作面在后期受采動影響及來壓時不會出現(xiàn)巷道大面積變形、底鼓等現(xiàn)象，同時有效阻止了采空區(qū)有毒有害氣體通過煤巖裂隙滲入巷道。此次應(yīng)用為弱沖環(huán)境巷道的有效治理提供了參考，具有推廣應(yīng)用價值，注漿加固支護(hù)技術(shù)比傳統(tǒng)加強(qiáng)支護(hù)方式更為經(jīng)濟(jì)、可靠，支護(hù)效果較好。