破碎圍巖注漿與高預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合加固技術(shù)研究

崔貴波

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045400）

0 引 言

新景礦隸屬于華陽(yáng)新材料集團(tuán)公司，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力450 萬(wàn)t/a,煤層貯藏穩(wěn)定，屬于多煤層聯(lián)合開(kāi)采，主采石炭系3 號(hào)煤層（平均厚度2.33 m）、8 號(hào)煤層（平均厚度1.73 m）、15 號(hào)煤層（平均厚度6.66 m），均為優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤。新景礦煤層埋藏深、應(yīng)力大，煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖居多。新景礦開(kāi)采煤層較多，巷道類型繁多，包括沿空掘巷、沿空留巷、二次復(fù)用動(dòng)壓巷道、厚煤層托頂煤巷道、軟弱復(fù)合頂板、內(nèi)錯(cuò)外錯(cuò)瓦斯尾巷、高抽巷、近距煤層下部巷道、穿層巷道等，支護(hù)難度高，圍巖條件復(fù)雜，部分巷道變形量大。井下回采巷道支護(hù)現(xiàn)狀調(diào)研發(fā)現(xiàn)，巷道支護(hù)效果并不理想，巷道礦壓顯現(xiàn)顯著，錨桿錨索破斷和失效，其中包括直徑為28.6 mm 的強(qiáng)力錨索，巷道變形嚴(yán)重，80124 工作面回風(fēng)巷在回采階段頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟砍^(guò)2 m，15021 工作面回風(fēng)巷屬于托頂煤巷道，在二次動(dòng)壓影響下托頂煤下位巷道高度不足1 m，巷道接近報(bào)廢狀態(tài)，巷道返修工程量大。新景礦投入大量的人力和物力進(jìn)行巷道返修，巷道支護(hù)和維護(hù)成本居高不下，新景礦決定采用注漿與高預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合加固技術(shù)，在變形大且影響較大的中條帶軌道西大巷試驗(yàn)，緩解當(dāng)前面臨的困境，提高生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定性。

1 工程地質(zhì)條件

受15020 工作面（2020 年1 月回采結(jié)束） 及15021 工作面回采影響（2019 年2 月回采結(jié)束），其中15020 工作面停采線距離中條軌道大巷165 m，15021 工作面距離中條軌道巷177 m，受工作面及周邊巷道多重影響，中條帶軌道大巷西5 100～5 400 m 頂幫壓力較大，底鼓嚴(yán)重，29U 型棚子嚴(yán)重變形，支護(hù)能力降低，巷道斷面明顯縮小，影響軌道正常運(yùn)轉(zhuǎn)及行人安全，礦方連續(xù)多年進(jìn)行整巷補(bǔ)強(qiáng)，由于巷道變形較大，效果較差，需重復(fù)返修，不經(jīng)濟(jì)且對(duì)安全生產(chǎn)提出較大挑戰(zhàn)。

2 巷道圍巖地質(zhì)測(cè)試分析

2.1 巷道圍巖情況

中條帶軌道西大巷為軌道大巷，坡度要求較高，巷道在掘進(jìn)過(guò)程中屬于穿層巷道，分別穿過(guò)12 號(hào)煤層、11 號(hào)煤層等不同地段，圍巖條件變化較大，因此巷道未布置在穩(wěn)定巖層之中，中條帶軌道西大巷橫穿地層情況如圖1 所示。根據(jù)礦方提供的地質(zhì)資料顯示，此段巷道圍巖以泥巖為主，巖層含水量高，泥巖風(fēng)化、泥化嚴(yán)重，圍巖破碎，強(qiáng)度低，錨索錨固力低，支護(hù)效果差。

圖1 中條帶軌道西大巷橫穿地層情況Fig.1 Crossing stratum situation of middle strip track west roadway

2.2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)窺視

為掌握中條帶軌道西大巷頂板及兩幫圍巖結(jié)構(gòu)情況，在5 200 m 處進(jìn)行頂板和兩幫圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)，頂板鉆孔深度10 m，兩幫鉆孔深度6 m，窺視結(jié)果如圖2、圖3 所示。從頂板窺視結(jié)果來(lái)看，淺部1.5 m 比較破碎，4.5 m 處頂板有空洞，頂板圍巖結(jié)構(gòu)變化較大，巖性以泥巖為主，夾帶多處有煤線，整體來(lái)看圍巖強(qiáng)度偏低，打鉆形成螺旋線比較明顯。從巷道兩幫窺視結(jié)果來(lái)看，中部1.0～2.5 m為煤層，厚度較大，3.1 m 處有裂隙，5.0 m 以上打鉆螺旋線較為明顯。綜合分析，該區(qū)域頂板淺部破碎，巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，泥巖與煤線交錯(cuò)，強(qiáng)度低，錨索錨固結(jié)構(gòu)差，抗擾動(dòng)能力差，且泥巖易風(fēng)化，易造成錨索錨固力不足，影響巷道加固效果。

圖2 頂板窺視圖Fig.2 Roof peep map

圖3 巷道兩幫窺視圖Fig.3 Peep map of both roadway sides

3 巷道加固方案設(shè)計(jì)

圍巖注漿加固原理是利用漿液充填圍巖內(nèi)的裂隙，將破碎的巖體重新固結(jié)起來(lái)，改善圍巖結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，提高圍巖整體強(qiáng)度，從而增加圍巖自身的承載能力，保持圍巖穩(wěn)定。將高預(yù)應(yīng)力錨索錨固技術(shù)與注漿加固技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，是解決破碎圍巖巷道支護(hù)、減少重復(fù)整巷的有效途徑。

（1） 頂板和兩幫注漿加固。

噴層出現(xiàn)大面積的開(kāi)裂、剝落，巷道斷面收縮特別嚴(yán)重的區(qū)域，整體加固思路為：擴(kuò)巷至設(shè)計(jì)斷面—初噴（根據(jù)刷巷成型情況決定是否初噴） —掛鋼筋網(wǎng)—打短錨索—復(fù)噴120 mm—深孔水泥注漿—打補(bǔ)強(qiáng)錨索。

（2） 底板加固。

幫頂加固完畢后，根據(jù)底板底鼓情況，決定是否進(jìn)行底板錨索架設(shè)。由于底板注漿效果影響因素較多且打孔難度較大，設(shè)計(jì)對(duì)中條軌道巷底板加固采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，初步加固思路為：打孔—預(yù)埋錨索—錨索孔注漿—進(jìn)行錨索張拉。施工中可根據(jù)打底板鉆孔情況進(jìn)行方案調(diào)整。

3.1 注漿參數(shù)

注漿鉆孔排距1 800 mm，間距1 500 mm，孔深8 m，埋孔口注漿管，孔內(nèi)下射漿管，射漿管長(zhǎng)度7.5 m，全長(zhǎng)一次注漿。采用水泥漿、水泥水玻璃雙液漿作為注漿材料?？卓谧{壓力2～3 MPa。

3.2 補(bǔ)強(qiáng)錨索參數(shù)

采用1×19 股鋼絞線錨索，公稱直徑21.8 mm，長(zhǎng)度均為8 300 mm，300 mm 外露長(zhǎng)度。每排布置7 根錨索，矩形布置，每幫2 根錨索，頂板3根錨索，長(zhǎng)度為8 300 mm。錨索間距1 500 mm，排距900 mm。錨索垂直巖面布置。采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，3 支樹(shù)脂錨固劑，1 支規(guī)格為K2335，另2支規(guī)格為Z2360。采用300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，高度不低于60 mm，承載能力不低于550 kN。錨索初次張拉達(dá)到250 kN，預(yù)應(yīng)力損失完成后不低于200 kN。

3.3 底板注漿孔預(yù)埋錨索

每排布置3 個(gè)孔，孔間距1 800 mm，底板孔距離兩幫500 mm，孔排距1 800 mm。采用地質(zhì)鉆機(jī)ZLJ250，孔深6 000 mm。采用鳥(niǎo)籠錨索，材料為φ21.8 mm，119 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長(zhǎng)度6 300 mm，延伸率4%，配合高強(qiáng)度鎖具和可調(diào)心托板。

4 應(yīng)用效果

4.1 總體情況

井下中條帶軌道西大巷施工地點(diǎn)從蘆北5 100 m 處開(kāi)始，截止2022 年2 月底，共計(jì)完成5 100～5 400 m 注漿、噴漿及外加補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)。巷道未見(jiàn)有害形變，巷幫及頂板噴漿層未見(jiàn)裂紋，整體效果很好。

4.2 注漿效果及評(píng)價(jià)

圖4 為現(xiàn)場(chǎng)注漿效果窺視照片。為查看注漿情況，在中條帶軌道西大巷5 240 m 及5 216 m 分別打窺視孔，現(xiàn)場(chǎng)窺視的照片表明，新景礦中條帶軌道西大巷注漿效果較好，并且新景礦中條帶軌道西大巷破碎圍巖巷幫注漿效果優(yōu)于頂板注漿效果。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，頂板單孔水泥注漿量平均為1～2.5 t，最大注漿量為2.5 t/ 孔。巷幫單孔水泥注漿量平均為3～6.9 t，最大注漿量為6.9 t。一方面，這是由于頂板圍巖結(jié)構(gòu)完整性要優(yōu)于巷幫，因此頂板水泥注漿量少于巷幫注漿量，另外由于注漿工藝先注巷幫，待巷幫注漿完成后對(duì)頂板注漿孔進(jìn)行注漿。因此存在巷幫水泥注漿過(guò)程中往頂板圍巖進(jìn)行擴(kuò)撒的情況，導(dǎo)致頂板注漿水泥消耗量偏少。

圖4 中條帶軌道西大巷窺視孔柱狀圖Fig.4 Peeping hole histogram of middle strip track west roadway

4.3 礦壓監(jiān)測(cè)

在井下實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別在5 100、5 150、5 200、5 250、5 300 m 設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要監(jiān)測(cè)兩幫移近量、底鼓量以及頂板下沉量，試驗(yàn)完成后，經(jīng)過(guò)1 a 的觀測(cè)，頂板下沉量幾乎為0，兩幫移近量最大為90 mm，底鼓量最大為150 mm，未形成有害形變，巷道圍巖趨于穩(wěn)定，具體形變情況如圖5、圖6 所示。

圖5 中條帶軌道西大巷兩幫移近量測(cè)量情況Fig.5 Measurement of two-sided displacement of middle strip track west roadway

圖6 中條帶軌道西大巷底鼓量測(cè)量Fig.6 Floor heave measurement of middle strip track west roadway

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)井下實(shí)踐表明，新景礦中條帶軌道西大巷注漿加高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)目前進(jìn)展順利，頂板和巷幫采用高壓水泥注漿工藝，漿液能夠較好的擴(kuò)散到巷道頂板和兩幫破碎圍巖中，有效的改善了圍巖完整性，提高了圍巖強(qiáng)度，對(duì)巷道中淺部煤巖體進(jìn)行加固，外加補(bǔ)強(qiáng)錨索，起到了很好的支護(hù)作用，防止了巷道圍巖的有害變形和破壞，噴漿層未見(jiàn)開(kāi)裂情況，表明巷道整體較為穩(wěn)定，注漿加固預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)方案切實(shí)可行。