松軟破碎煤巷深淺孔聯(lián)合注漿加固技術(shù)

李 林，顧 偉，宋 剛

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晟泰能源投資有限公司，山西 晉城 048006；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

近年來(lái)，隨著礦井開(kāi)采深度和強(qiáng)度的增加[1]，松軟破碎煤巷受采動(dòng)應(yīng)力的影響較大，在礦山壓力的影響下，巷道兩幫變形嚴(yán)重[2-3]。如果不采用合理的加固措施，將導(dǎo)致原來(lái)裂隙發(fā)育的圍巖繼續(xù)發(fā)育，錨固體不僅難以發(fā)揮錨固作用，而且巷道支護(hù)變的更加困難[4]。注漿加固技術(shù)可有效解決破碎回采巷道難以支護(hù)的問(wèn)題，任建慧[5]針對(duì)布爾臺(tái)煤礦工作面回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)劇烈，造成回采巷道嚴(yán)重變形的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)巷道幫部注漿，使巷道變形控制在合理的范圍內(nèi)；劉泉聲[6]通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室制取含裂隙的巖石試樣，并對(duì)注漿前后的試驗(yàn)進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，含裂隙的巖石進(jìn)行注漿可提高其抗剪強(qiáng)度及抗變形能力；李樹(shù)剛[7]等以余吾煤業(yè)二采區(qū)2206工作面進(jìn)風(fēng)巷為研究對(duì)象，由于巷道圍巖松軟破碎且受相鄰工作面回采擾動(dòng)，巷道產(chǎn)生較大變形，通過(guò)對(duì)巷道表面噴漿后再對(duì)注漿孔注漿，使圍巖穩(wěn)定性得到改善。但對(duì)于普通的注漿加固措施，即一定間距打設(shè)單一的深孔或淺孔，打孔數(shù)量多，施工速度慢，效率低；同時(shí)，注漿壓力過(guò)高會(huì)進(jìn)一步破壞巷道圍巖，使周圍淺部圍巖裂隙繼續(xù)發(fā)育，造成圍巖表面漏漿；注漿壓力太小的話，漿液擴(kuò)展范圍就會(huì)變小，這樣注入圍巖漿液量太少，就很難把破碎的圍巖固結(jié)起來(lái)形成整體[8]。深淺孔聯(lián)合注漿加固通過(guò)低壓-淺孔注漿后實(shí)施高壓-深孔注漿，可有效解決巷道圍巖變形嚴(yán)重的問(wèn)題，并增強(qiáng)圍巖的強(qiáng)度?；诖耍蚤L(zhǎng)平煤礦4322工作面回風(fēng)巷為工程背景，通過(guò)對(duì)深淺孔聯(lián)合注漿加固機(jī)理進(jìn)行分析，同時(shí)模擬分析了4322巷受工作面采動(dòng)影響后應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律，最后給出了深淺孔注漿加固方案[9]，以期達(dá)到確保巷道穩(wěn)定，滿足工作面安全使用的目的。

1 工程概況

長(zhǎng)平煤礦四盤區(qū)4322工作面開(kāi)采3#煤，以塊煤為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，易破碎，煤層總厚度5.73 m，傾角為1°，蓋山厚度515 m；工作面直接頂板為粉砂巖，厚1.44 m，節(jié)理裂隙發(fā)育；基本頂為中粒砂巖，厚9.1 m，具裂隙，底部夾薄層泥巖；直接底為粉砂巖，厚2.78 m，薄層狀；基本底為砂質(zhì)泥巖，厚3.78 m，性脆致密，薄層狀。由于頂板巖層中的粉砂巖和細(xì)粒砂巖節(jié)理裂隙比較發(fā)育、煤體易破碎，工作面回采后，在高應(yīng)力作用下煤體變形壓縮嚴(yán)重，導(dǎo)致頂板巖層裂隙進(jìn)一步發(fā)育，給巷道支護(hù)帶來(lái)極大困難。

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視結(jié)果表明：巷道淺部圍巖變形破壞嚴(yán)重，深部裂隙比較發(fā)育，圍巖內(nèi)部窺視結(jié)果如圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視圖Fig.1 A peek view of on-site drillings

4322工作面巷道布置如圖2，43222巷受工作面回采影響，頂?shù)装逡平看?，巷道兩幫變形?yán)重，兩幫移近量達(dá)到400 mm，頂板下沉量為300 mm，底鼓量150 mm。因此，為了下一工作面回采時(shí)安全使用，在43222巷原有支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深淺孔聯(lián)合注漿加固。

圖2 工作面巷道布置圖Fig.2 Roadway layout of working face

2 注漿加固機(jī)理及材料

2.1 深淺孔聯(lián)合注漿加固機(jī)理

深淺孔聯(lián)合注漿通過(guò)對(duì)圍巖體內(nèi)的鉆孔采用不同的注漿壓力，發(fā)揮深、淺孔不同的作用，最終通過(guò)漿液對(duì)圍巖的改變，達(dá)到增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性的目的[10-11]，深淺孔聯(lián)合注漿工藝如圖3。

圖3 深淺孔聯(lián)合注漿工藝Fig.3 Deep and shallow holes combined grouting process

圍巖先進(jìn)行低壓-淺孔注漿，再進(jìn)行高壓-深孔注漿。低壓-淺孔注漿后，巷道淺部圍巖重新膠結(jié)為整體，注入圍巖內(nèi)的漿液通過(guò)改變巖體的力學(xué)參數(shù)，以提高圍巖體整體強(qiáng)度，也封堵了裂隙；同時(shí)也提高了圍巖注漿承受的注漿壓力，之后進(jìn)行高壓-深孔注漿對(duì)淺部圍巖起到了補(bǔ)強(qiáng)加固作用，而且提高了深部圍巖的承載能力[12]。

2.2 注漿加固材料

注漿材料選用聯(lián)邦無(wú)機(jī)加固材料，它是以礦粉為主要成分，具有凝結(jié)速度快、強(qiáng)度高的特性，同時(shí)巖體的黏結(jié)性與普通水泥相比較高。其固結(jié)時(shí)間以及固結(jié)后漿體的強(qiáng)度可以根據(jù)不同的需求改變，不同水灰比條件下漿液凝結(jié)強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 聯(lián)邦無(wú)機(jī)加固材料不同水灰比條件下凈漿抗壓強(qiáng)度Table 1 The compressive strength of net slurry under different water-cement ratios of federal inorganic reinforcement materials

由表1可知，聯(lián)邦無(wú)機(jī)加固材料在水灰比為0.6∶1時(shí)，3 d后的強(qiáng)度能達(dá)到22.8 MPa，最終強(qiáng)度能達(dá)到23.2 MPa，可見(jiàn)其具有的時(shí)效及材料性可滿足破碎圍巖體注漿加固工作。

在圍巖注漿過(guò)程中，漿液擴(kuò)散半徑主要與注漿壓力以及水灰比有關(guān)，它隨注漿壓力和水灰比的變化而改變[13]。注漿壓力和水灰比對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響如圖4。

圖4 不同注漿壓力、水灰比下與漿液擴(kuò)散半徑關(guān)系圖Fig.4 Relationship between grout diffusion radius under different grouting pressures and water-cement ratios

當(dāng)注漿壓力為1～3 MPa時(shí)，漿液擴(kuò)散半徑隨注漿壓力和水灰比的增大而增大；漿液壓力在3～8 MPa時(shí)，此時(shí)水灰比為0.6∶1的漿液擴(kuò)散半徑逐漸趨于穩(wěn)定，不再增加，水灰比大于0.6∶1的漿液擴(kuò)散半徑先逐漸增大，之后不再增加，保持穩(wěn)定。

3 注漿方案

3.1 注漿參數(shù)

根據(jù)長(zhǎng)平煤礦4322工作面實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件和巷道位置關(guān)系，利用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件建立模型，分析43222巷在受掘進(jìn)影響及工作面采動(dòng)影響后，巷道圍巖塑性區(qū)和4322工作面超前應(yīng)力分布規(guī)律，以此確定注漿參數(shù)。

3.1.1 注漿時(shí)機(jī)

首先對(duì)長(zhǎng)平煤礦數(shù)值計(jì)算模型中43222巷進(jìn)行掘進(jìn)模擬，待巷道穩(wěn)定之后再模擬4322工作面開(kāi)挖，模型計(jì)算平衡后，分析工作面前方煤層內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律，通過(guò)對(duì)工作面前方巷道圍巖的裂隙發(fā)育情況來(lái)確定注漿時(shí)機(jī)。工作面超前垂直應(yīng)力分布如圖5。

圖5工作面超前垂直應(yīng)力分布Fig.5 Leading vertical stress distribution on working face

1）距工作面距離0～7 m，此階段為裂隙發(fā)育階段，該階段圍巖狀態(tài)表現(xiàn)為呈塑性區(qū)或破碎，垂直應(yīng)力逐漸增大，直至達(dá)到峰值應(yīng)力67.1 MPa，為原巖應(yīng)力的4.6倍，該范圍內(nèi)由于應(yīng)力變化幅度較大，使得圍巖淺部基本破碎，裂隙非常發(fā)育。

2）距工作面距離7～25 m，此階段為裂隙閉合階段，圍巖為彈性狀態(tài)，由于此范圍內(nèi)應(yīng)力較原巖應(yīng)力大，且變化幅度大，導(dǎo)致巷道圍巖中發(fā)育的裂隙受高應(yīng)力影響而閉合，進(jìn)而限制漿液的擴(kuò)散范圍。

3）距工作面距離25～35 m，此階段為裂隙較發(fā)育階段，由于垂直應(yīng)力變化緩慢，所以裂隙比較發(fā)育。

4）距工作面距離35 m之后，此階段為裂隙影響較小區(qū)，該區(qū)域受工作面采動(dòng)影響小，圍巖強(qiáng)度相對(duì)較高，裂隙不發(fā)育，注漿效果不明顯。因此，選擇裂隙發(fā)育階段和裂隙較發(fā)育階段進(jìn)行注漿。

3.1.2 注漿孔長(zhǎng)度

注漿孔的孔距是注漿工程關(guān)鍵參數(shù)之一，通過(guò)分析43222巷在上一工作面回采后圍巖的塑性區(qū)分布來(lái)確定注漿孔長(zhǎng)度，回采后巷道圍巖塑性區(qū)分布圖如圖6。

圖6 回采后巷道圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.6 Distribution map of plastic zone in surrounding rock of roadway

1）4322工作面回采后巷道兩幫圍巖的塑性區(qū)呈不對(duì)稱分布，煤柱側(cè)塑性區(qū)發(fā)育深度為3 m，實(shí)體煤側(cè)發(fā)育深度為2 m，頂板發(fā)育深度為2 m，底板為1 m。

2）工作面回采后，由于巷道圍巖最大塑性區(qū)發(fā)育深度為3 m，因此確定淺孔長(zhǎng)度為3 m。

3）由于長(zhǎng)平煤礦巷道支護(hù)中錨索長(zhǎng)度為6 300 mm，為防止錨索孔和注漿鉆孔在注漿過(guò)程中導(dǎo)通，封孔長(zhǎng)度不宜低于9 m，因此確定深孔長(zhǎng)度為9 m。

3.1.3 注漿壓力

注漿壓力是漿液在圍巖裂隙內(nèi)擴(kuò)散的動(dòng)力，主要由注漿材料的滲透性以及圍巖的裂隙發(fā)育程度確定[14]。注漿壓力有利于漿液在圍巖內(nèi)的擴(kuò)散，但注漿壓力不宜過(guò)高，否則會(huì)使圍巖進(jìn)一步破壞[15]。注漿壓力需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況確定，根據(jù)長(zhǎng)平煤礦現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及注水測(cè)試，確定3 m注漿孔注漿壓力為3～5 MPa，深孔9 m注漿孔注漿壓力為8～10 MPa。

3.1.4 注漿孔布置參數(shù)

注漿孔的布置參數(shù)主要為鉆孔的間距、排距以及鉆孔長(zhǎng)度，它們主要由漿液擴(kuò)散半徑?jīng)Q定。由于在實(shí)際注漿時(shí)采用0.8∶1的水灰比，從圖4可知在水灰比0.8∶1的條件下漿液擴(kuò)散半徑為3 m，因此在注漿方案設(shè)計(jì)時(shí)注漿孔排距確定為3 m。

3.2 注漿加固方案

1）巷幫淺孔設(shè)計(jì)。每幫每排3個(gè)鉆孔，3-3矩形布置，按巷幫上下部鉆孔分別距離頂?shù)装?00 mm，上鉆孔上仰15°～20°，下鉆孔下扎5°～10°，中間鉆孔垂直布置，注漿孔橫向間距為1 200 mm，縱向距離為3 000 mm，巷幫淺孔布置圖如圖7。

圖7 巷幫淺孔布置圖Fig.7 Layout drawing of shallow hole in roadway side

2）巷幫深孔設(shè)計(jì)。每幫每排3個(gè)鉆孔，3-3矩形深淺孔交錯(cuò)布置，按巷幫上下部鉆孔分別距離頂?shù)装?00 mm，上鉆孔上仰10°～15°，下鉆孔下扎5°～10°，中間鉆孔垂直布置，注漿孔橫向間距1 200 mm，縱向距離3 000 mm，巷幫深孔布置圖如圖8，巷幫深淺孔聯(lián)合注漿布置圖圖9。

圖8 巷幫深孔布置圖Fig.8 Roadway side deep hole layout drawing

圖9 巷幫深淺孔聯(lián)合注漿布置圖Fig.9 Layout drawing of combined grouting for deep and shallow holes of roadside

3）頂板注漿孔設(shè)計(jì)。當(dāng)進(jìn)行頂板注漿時(shí)，需等待兩幫注漿加固完成后，再進(jìn)行注漿。深淺孔以“2-3-2”交錯(cuò)布置，注漿孔橫向間距2 000 mm，縱向距離3 000 mm，全部垂直頂板打設(shè)，頂板深淺注漿孔布置圖如圖10，淺孔注漿終止壓力3～5 MPa。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)先進(jìn)行低壓-淺孔緩慢注漿，以達(dá)到封堵淺部圍巖體裂隙的目的，防止高壓-深孔注漿時(shí)漿液跑漏。

圖10 頂板深淺注漿孔布置圖Fig.10 The layout of the depth and shallow grouting holes of the roof

4 注漿效果模擬分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的注漿方案進(jìn)行模擬，通過(guò)比較4322工作面無(wú)支護(hù)條件下回采、對(duì)巷道錨桿（索）支護(hù)后回采、錨桿（索）支護(hù)和注漿后回采這3種情況下43222巷圍巖塑性區(qū)及位移的變化，分析注漿效果。注漿前后巷道變形量對(duì)比見(jiàn)表2。不同支護(hù)條件下塑性區(qū)及巷道變形量變化如圖11～圖13。

圖11 不同支護(hù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.11 Distribution diagrams of plastic zone of roadway surrounding rock under different support conditions

圖12 不同支護(hù)條件下巷道圍巖垂直位移云圖Fig.12 Cloud diagrams of vertical displacement of roadway surrounding rock under different support conditions

圖13 不同支護(hù)條件下巷道圍巖水平位移云圖Fig.13 Cloud diagrams of horizontal displacement of roadway surrounding rock under different supporting conditions

表2 注漿前后巷道變形量對(duì)比Table 2 Comparison of roadway deformation before and after grouting

1）43222巷分別在上述3種支護(hù)條件下回采后，無(wú)支護(hù)下巷道圍巖最大發(fā)育深度為3 m，巷道進(jìn)行錨桿（索）支護(hù)后巷道圍巖塑性區(qū)分布區(qū)域相對(duì)減少，但發(fā)育深度仍為3 m，巷道支護(hù)及注漿后塑性區(qū)發(fā)育深度為2 m，因此從塑性區(qū)發(fā)育深度方面看注漿起到一定的控制效果。

2）巷道在錨桿（索）支護(hù)后與未支護(hù)條件下相比，頂板下沉量減小21.4%，底鼓量減小10%，實(shí)體煤幫移近量減小8%，煤柱幫移近量減小9%，因此，巷道僅在錨桿（索）支護(hù)條件下對(duì)巷道圍巖變形控制效果不明顯。

3）巷道在錨桿（索）及注漿加固條件下與未支護(hù)時(shí)相比，頂板下沉量減小53.6%，底鼓量減小36.6%，實(shí)體煤幫移近量減小52.3%，煤柱幫移近量減小64.3%，可見(jiàn)巷道在支護(hù)后對(duì)圍巖再進(jìn)行注漿加固可對(duì)圍巖變形起到很好的控制效果。說(shuō)明兩幫深淺孔聯(lián)合注漿形成的承載層能夠改善圍巖的受力，減少圍巖的變形。

綜上所述，深淺孔聯(lián)合注漿加固可以有效控制巷道圍巖變形，提高圍巖的穩(wěn)定性，保證工作面的安全生產(chǎn)。

5 注漿效果評(píng)價(jià)

5.1 頂板注漿前后鉆孔窺視觀測(cè)結(jié)果

43222巷在修復(fù)加固前后頂板窺視結(jié)果如圖14～圖15。

圖14 頂板注漿前窺視結(jié)果Fig.14 Peek the results before the roof grouting

圖15 頂板注漿后窺視結(jié)果Fig.15 Peeping results after roof grouting

由圖14和圖15可知：

1）注漿前巷道頂板圍巖破碎范圍較大，在距離頂板1.0 m深處，由于受到采動(dòng)應(yīng)力影響，煤巖體已經(jīng)被擠壓破碎；在距離頂板1.0～3.0 m深處，煤巖體基本完全破碎；在距離頂板3.0～9.0 m深處，煤巖體存在大量裂隙，完整性較差。

2）對(duì)巷道頂板注漿加固后，在距離頂板1.0 m深處，漿液已經(jīng)全部充填實(shí)，淺部破碎圍巖重新膠結(jié)。

5.2 巷道幫部注漿前后鉆孔窺視觀測(cè)結(jié)果

43222巷在修復(fù)加固前后幫部窺視結(jié)果如圖16～圖17。

由圖16和圖17可知：

圖16 巷道幫部注漿前窺視結(jié)果Fig.16 Peek results before grouting in the tunnel wall

圖17 巷道幫部注漿后窺視結(jié)果Fig.17 Peek results after grouting in the tunnel wall

1）注漿前43222巷左幫部圍巖破碎范圍很大，在距離左幫1.0 m處，由于受到采動(dòng)應(yīng)力影響，煤體受擠壓破碎；在距離左幫1.0～3.0 m深處，煤體幾乎完全破碎，呈浮煤狀；在距離左幫3.0～9.0 m深處，煤體為不完全破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。

2）注漿后，在距離左幫1.0 m處，漿液全部充填破碎區(qū)，在距離左幫1.0～3.0 m深處，漿液使破碎煤體重新膠結(jié)；在距離左幫3.0～9.0 m深處，漿液充分進(jìn)入節(jié)理裂隙之間，提高圍巖的承載能力，幫部圍巖塑性區(qū)范圍顯著減小。

5.3 礦壓觀測(cè)分析

為驗(yàn)證巷道注漿效果，在巷道加固區(qū)域共布置3個(gè)表面位移觀測(cè)站，對(duì)巷道進(jìn)行礦壓觀測(cè)，巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖18。

圖18 巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.18 Roadway surface displacement monitoring results

從43222巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出：

1）對(duì)比3個(gè)觀測(cè)站結(jié)果，巷道在注漿后變形量先緩慢增加，在18 d后趨于平穩(wěn)。

2）注漿后巷道變形量得到有效控制，頂板下沉量穩(wěn)定在80 mm，底鼓量穩(wěn)定在63 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在110 mm；與未注漿前巷道變形量相比，頂板下沉量減少73%，底鼓量減少58%，兩幫移近量減少72.5%。

6 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)巷道進(jìn)行深淺孔聯(lián)合注漿加固，通過(guò)在低壓-淺孔注漿的基礎(chǔ)上進(jìn)行深孔-高壓注漿，對(duì)淺部圍巖繼續(xù)補(bǔ)強(qiáng)加固，提高圍巖的承載能力。

2）通過(guò)對(duì)注漿方案數(shù)值模擬分析可知，對(duì)比巷道未加固區(qū)，頂板下沉量減少53.5%，底鼓量減少37%，實(shí)體煤幫變形量減少52.3%，煤柱幫變形量減少64.2%，表明注漿加固方案有效控制了巷道圍巖變形。

3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明，注漿后漿液全部充填破碎區(qū)，使破碎巖體重新凝結(jié)，同時(shí)注漿后巷道變形得到控制，頂板下沉量穩(wěn)定在80 mm，底鼓量穩(wěn)定在63 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在110 mm，注漿效果明顯。