耿耀強(qiáng)，索永錄，趙騰飛，張紅衛(wèi)，胡國和，馬小輝

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.渭南陜煤啟辰科技有限公司，陜西 渭南 714000；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程中心，陜西 西安 710065；4.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引 言

深部“三高一擾動(dòng)”作用使得復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的巷道圍巖呈現(xiàn)變形大和破壞嚴(yán)重的特點(diǎn)[1-3]。強(qiáng)烈的開采擾動(dòng)應(yīng)力使斷層出現(xiàn)不同程度的活化，其對突水潰沙、頂板冒落、沖擊地壓、片幫、煤巖體失穩(wěn)等災(zāi)害產(chǎn)生重大影響[4-6]。國內(nèi)外學(xué)者針對斷層區(qū)域煤巖體穩(wěn)定性控制的研究表明：注漿加固技術(shù)可達(dá)到有效控制斷層開采擾動(dòng)區(qū)圍巖變形破壞的目的[7-10]。

水泥及添加劑等因其來源廣、成本低和結(jié)石率高等優(yōu)點(diǎn)而成為注漿加固的首選材料。但由于水泥的顆粒較大，導(dǎo)致其可注性和加固效果較差。為此，管學(xué)茂、郭東明和吳愛祥等研制了超細(xì)水泥漿，解決了可注性差的問題[11-14]。但超細(xì)水泥漿耐久性差，后期強(qiáng)度往往不足，限制了其應(yīng)用[15]。而聚氨酯類化學(xué)注漿材料因具有黏度低、可注性好和強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而成為注漿加固材料的新選擇[16]，但傳統(tǒng)的聚氨酯注漿加固材料需摻用一定的阻燃劑來滿足阻燃要求[17]，而這些阻燃劑多含有高氯離子，危害礦工健康。因而，研制一種既能保留聚氨酯本身良好的性能又能避免其阻燃等缺點(diǎn)的新型材料成為必須解決的問題。

在巷道圍巖穩(wěn)定控制上，劉泉聲等揭示了深部圍巖的變形規(guī)律及支護(hù)難點(diǎn)，提出分步聯(lián)合支護(hù)的設(shè)計(jì)理念[18]。郭相平等分析了應(yīng)力環(huán)境及圍巖變形破壞特征，提出了全錨索支護(hù)技術(shù)[19]。孟慶彬等獲得了巷道斷面形狀對圍巖變形破壞失穩(wěn)的影響規(guī)律，提出“三錨”聯(lián)合支護(hù)體系[20-22]。王連國等基于巷道圍巖的變形及破壞特征，提出了以注漿錨桿和注漿錨索為核心的深-淺耦合全斷面錨注支護(hù)方法[23]。這些為巷道圍巖的穩(wěn)定性控制提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，但巷道在不同復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的破壞特征差異明顯，因而其支護(hù)方法也將是不同的。

針對上述問題，以彬長礦區(qū)孟村煤礦中央一號(hào)回風(fēng)大巷過DF29大斷層為背景，研制了一種可注性好、反應(yīng)溫度低的新型注漿加固材料。并據(jù)巷道圍巖變形破壞范圍和分布特征，提出一種以中空注漿錨索為核心的錨注加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，且對其注漿加固效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 井田概況及地應(yīng)力特征

1.1 工程地質(zhì)概況

孟村煤礦位于國家規(guī)劃的14個(gè)億噸級大型煤炭基地之一的黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長礦區(qū)中西部，建設(shè)規(guī)模600萬t/a，以4#煤層為主采煤層，煤層厚度平均為24 m，埋深普遍超過700 m，采用綜采分層放頂煤采煤方法，回采煤層厚度10.5～12.0 m。

中央一號(hào)回風(fēng)大巷于里程1 643 m位置揭露DF29斷層，落差33 m，煤層頂板破壞較嚴(yán)重，如圖1所示。中央一號(hào)回風(fēng)大巷受高地應(yīng)力、沖擊地壓、DF29大斷層、采動(dòng)影響、厚煤層托頂煤等因素影響，造成1 560～1 800 m區(qū)段巷道變形破壞嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為巷道底鼓、錨索拉斷、巷道頂部漿皮局部開裂、脫落等，且巷道斷層附近約40 m范圍存在淋水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響行人安全，如圖2所示。

圖2 中央一號(hào)回風(fēng)大巷破壞平面位置

根據(jù)中央一號(hào)回風(fēng)斷層附近周圍鉆孔資料及已揭露的地質(zhì)情況綜合分析表明：煤層結(jié)構(gòu)較簡單，一般含2層夾矸，且位于煤層的中上部，煤層上部均為塊狀，下部為碎片及碎粒狀。實(shí)驗(yàn)室測得4#煤上、下分層的單軸抗壓強(qiáng)度分別為19.37，26.88 MPa。而4#煤層偽頂多為黑色炭質(zhì)泥巖，厚度小，直接頂板為較易冒落的泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度為0.4～25.8 MPa?；卷敒槟噘|(zhì)膠結(jié)的中粒砂巖和粗粒砂巖，實(shí)驗(yàn)室測得其單軸抗壓強(qiáng)度分別為28.75，24.53 MPa。底板巖性一般為泥巖及粉砂巖，局部為細(xì)粒砂，泥巖單軸抗壓強(qiáng)度平均為17.99 MPa。中央一號(hào)回風(fēng)巷道圍巖柱狀圖及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巷道圍巖柱狀圖及物理力學(xué)參數(shù)

1.2 地應(yīng)力特征

為獲得礦區(qū)地應(yīng)力分布特征，對首采區(qū)的3個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行了地應(yīng)力原位測量，其測點(diǎn)和地應(yīng)力方向如圖3所示。結(jié)果表明：中央一號(hào)回風(fēng)大巷處測點(diǎn)的最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其值為30.52 MPa，與巷道軸向夾角為65°～81°。該地應(yīng)力場屬于超高應(yīng)力區(qū)，對巷道頂?shù)椎姆€(wěn)定性影響較大。

圖3 孟村礦井水平主應(yīng)力方向測量示意

1.3 巷道圍巖原支護(hù)方式及破壞特征

中央一號(hào)回風(fēng)巷道斷面為直墻半圓拱形，巷道設(shè)計(jì)寬度6 m，高度4.9 m，原始設(shè)計(jì)采用“錨網(wǎng)索噴”支護(hù)：全斷面鋪設(shè)1 500 mm×800 mm×100 mm鋼筋網(wǎng)；噴射C25混凝土150 mm；螺紋錨桿參數(shù)為φ22 mm×L2500 mm，間排距700 mm×700 mm；錨索參數(shù)為φ21.8 mm×L7 100 mm，間排距1 200 mm×1 400 mm。

但由于高地應(yīng)力、煤巖層含水、DF29斷層、和開挖擾動(dòng)等使得原有支護(hù)失效而破壞。經(jīng)現(xiàn)場探查和鉆孔發(fā)現(xiàn)：巷道1 560～1 800 m區(qū)段的噴層大片開裂脫落、鋼筋網(wǎng)鼓出外露、拱頂變平、頂板下沉、架棚彎曲，如圖4所示；巷道幫部和肩角處破壞較大，兩幫部距巷道4 m處存在大裂隙。

圖4 中央一號(hào)回風(fēng)巷道變形破壞

2 新型礦用復(fù)合注漿加固材料

市場上使用較多的聚氨酯類加固材料具有較高的反應(yīng)溫度(最高反應(yīng)溫度可達(dá)140 ℃以上)，阻燃性能相對較差，需要加入大量含鹵素元素的阻燃劑來達(dá)到阻燃性要求，施工現(xiàn)場一旦發(fā)生聚熱導(dǎo)致的高溫冒煙或著火，就會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，危害到井下施工人員的人身安全。

針對聚氨酯加固材料存在的問題，結(jié)合預(yù)應(yīng)力中空注漿錨索，研發(fā)了一種低反應(yīng)溫度高強(qiáng)度礦用復(fù)合注漿加固材料(SCPJG-2)，該材料通過添加環(huán)氧樹脂來降低聚氨酯(PAPI)的用量，從而達(dá)到降低最高反應(yīng)溫度，提高抗壓強(qiáng)度的目的。而且，該注漿材料還具有反應(yīng)時(shí)間可調(diào)、可注性與流動(dòng)性好和粘結(jié)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。礦用復(fù)合注漿加固材料如圖5所示，其性能指標(biāo)見表2。

表2 SCPJG-2型礦用復(fù)合注漿加固材料的性能指標(biāo)

圖5 SCPJG-2型礦用復(fù)合注漿加固材料

3 斷層破碎帶巷道圍巖錨注支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)原理

考慮到斷層破碎帶巷道圍巖變形破壞較為嚴(yán)重，在原有支護(hù)基礎(chǔ)上，選擇以中空注漿錨索為主的錨注支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，其支護(hù)原理是：通過中空注漿錨索將礦用新型復(fù)合注漿材料注入破裂圍巖內(nèi)，以充填孔裂隙等缺陷，使其膠結(jié)成整體，并在巷道淺部區(qū)域內(nèi)形成注漿加固環(huán)，以此提高圍巖體的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角，增加圍巖體的整體承載能力。此外在巷道深部區(qū)域內(nèi)形成局部注漿加固體，以與注漿錨索共同對淺部圍巖加固部分起到懸吊、承載的作用，達(dá)到控制圍巖穩(wěn)定的目的。

3.2 支護(hù)方案及參數(shù)

在設(shè)計(jì)錨注補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)相關(guān)參數(shù)時(shí)，為了能更精確地確定注漿錨索的長度和間距等，需要先獲得巷道圍巖的塑性破裂區(qū)范圍和分布特征[24]。因此，利用COMSOL數(shù)值軟件建立了中央一號(hào)回風(fēng)大巷二維模型，如圖6所示，尺寸60 m×60 m。在進(jìn)行巷道圍巖塑性破壞區(qū)數(shù)值計(jì)算時(shí)，模型的左右邊界為輥支撐邊界，即約束法向位移；底部邊界為固定邊界，即約束所有位移；上邊界為上覆巖層的重量為17.5 MPa，其它圍巖力學(xué)參數(shù)見表1。而在進(jìn)行巷道內(nèi)復(fù)合注漿漿液的滲透擴(kuò)散范圍模擬時(shí)，模型的四周皆為理想不可滲透邊界；巷道邊界也為不可滲透邊界；中空注漿錨索內(nèi)為復(fù)合注漿漿液的初始漿液壓頭邊界。

圖6 巷道圍巖塑性破壞數(shù)值模型

根據(jù)數(shù)值模擬得到巷道圍巖塑性破壞云圖，如圖7所示。從圖7可知，巷道圍巖在頂板和兩幫肩窩的破壞較嚴(yán)重，其塑性破壞區(qū)分別為4.8和4.1 m，與現(xiàn)場探查結(jié)果基本一致，其幫部塑性破壞區(qū)約為2.5 m。

圖7 圍巖塑性區(qū)破壞云圖

依據(jù)巷道圍巖塑性破裂區(qū)范圍和特征及現(xiàn)場探查結(jié)果，設(shè)計(jì)錨注補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案如下

1)頂板布置中空注漿錨索，其規(guī)格為φ22 mm×L7 100 mm，每根錨索使用2支型號(hào)為MSK2335和2支型號(hào)為MSZ2335的樹脂錨固劑，間排距為1 500 mm×1 400 mm，每排5根。其中空注漿錨索結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

1 圓鋼 2 支撐箍 3 中空鋼絞線 4 注漿尼龍管 5 止?jié){塞 6 托盤 7 礦用錨索錨具 8 注漿鋼管 9 絲堵

2)巷道兩幫肩窩使用中空注漿錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，其型號(hào)規(guī)格為φ22 mm×L5 800 mm，間排距為1 500 mm×1 400 mm，每排2根。其中央一號(hào)回風(fēng)大巷的完整錨注補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案如圖9所示。

圖9 中央一號(hào)回風(fēng)大巷支護(hù)

3.3 支護(hù)效果

圖10為現(xiàn)場獲得的注漿漿液在頂板內(nèi)的擴(kuò)散效果圖，其表明注漿漿液能有效擴(kuò)散并充填膠結(jié)破裂圍巖，增加了圍巖結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。而注漿錨索由樹脂端錨變成全長錨固，促使支護(hù)體與圍巖結(jié)構(gòu)耦合緊密，整體抵抗動(dòng)載荷對巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的沖擊能力加強(qiáng)。同時(shí)，該區(qū)域的淋水也得到有效治理。

圖10 頂板圍巖內(nèi)漿液擴(kuò)散效果

為進(jìn)一步更直觀地看到圍巖注漿效果，基于上述支護(hù)方案，參照文獻(xiàn)[24]的方法，通過COMSOL模擬得到巷道圍巖內(nèi)的注漿擴(kuò)散效果，如圖11所示。從圖11可知，注漿錨索在淺部圍巖內(nèi)形成厚度為4.5 m的注漿加固環(huán)，漿液能夠很好覆蓋淺部圍巖的破壞范圍，使淺部破碎的圍巖充分地膠結(jié)在一起。此外，注漿錨索又能在深部圍巖形成注漿加固體，不僅對深部圍巖進(jìn)行加固，且能與淺部圍巖形成一個(gè)整體，提高圍巖整體的承載能力，從而控制巷道圍巖變形破壞，維持巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖11 巷道圍巖內(nèi)漿液擴(kuò)散效果

4 結(jié) 論

1)通過鉆孔勘探、地應(yīng)力原位測量和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，獲得斷層區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、巖性和地應(yīng)力等特征，DF29斷層落差33 m，為目前彬長礦區(qū)最大揭露斷層，最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其值為30.52 MPa，地應(yīng)力場屬于超高應(yīng)力區(qū)。探明了斷層破碎區(qū)巷道圍巖的變形破壞特征，并揭示了其破壞機(jī)理。

2)針對斷層破碎區(qū)巷道圍巖所處的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，研發(fā)了一種可注性好的反應(yīng)溫度低于95 ℃、抗壓強(qiáng)度大于40 MPa的礦用復(fù)合注漿加固材料。

3)基于現(xiàn)場探測和數(shù)值模擬所得巷道圍巖的破壞特征，提出了一種以中空注漿錨索為核心的錨注補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方法，并優(yōu)化了支護(hù)參數(shù)。其現(xiàn)場加固結(jié)果表明，該技術(shù)能有效維持巷道圍巖的穩(wěn)定。