齊首靖

(山西汾西正城煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300)

隨著礦井采掘深度增加，煤炭回采時(shí)受地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力等因素的影響更加明顯，這些因素在一定程度上制約著礦井煤炭高效回采[1-2]。巷道掘進(jìn)揭露地質(zhì)構(gòu)造期間圍巖往往較為破碎，不僅容易引起巷道超高問題,而且會(huì)給巷道圍巖控制帶來威脅[3-5]。山西某礦3607運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過程中揭露有地質(zhì)構(gòu)造，礦井提出超前加固技術(shù)方案對(duì)地質(zhì)構(gòu)造帶破碎圍巖進(jìn)行超前加固，為巷道掘進(jìn)以及圍巖控制創(chuàng)造良好條件，現(xiàn)場取得了較好的應(yīng)用成果。

1 工程概況

3607運(yùn)輸巷沿著6號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，煤層埋深420 m，巷道設(shè)計(jì)長度為2 018 m，斷面為矩形，凈寬、凈高分別為5.5 m、3.75 m。6號(hào)煤層賦存較為穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層，煤層厚度平均3.75 m，傾角7°。6號(hào)煤層基本頂為粉砂巖厚5.9 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖互層厚度2.6 m；直接底為炭質(zhì)泥巖厚度1.6 m，直接底為灰?guī)r，厚度15.7 m。

根據(jù)已有地質(zhì)資料以及物探顯示，3607運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中揭露DF53、DF56斷層，在斷層影響下圍巖裂隙破碎，會(huì)給巷道圍巖控制以及掘進(jìn)安全帶來較大威脅，具體工作面內(nèi)斷層發(fā)育位置如圖1所示。為了確保巷道掘進(jìn)安全，提出采用超前注漿方式對(duì)構(gòu)造帶內(nèi)破碎巖體進(jìn)行加固，確保掘進(jìn)過程中圍巖穩(wěn)定。

圖1 工作面內(nèi)斷層發(fā)育位置示意

2 超前加固技術(shù)分析

2.1 超前加固材料確定

現(xiàn)階段礦井常用的注漿加固材料有：有機(jī)材料(化學(xué)材料)、無機(jī)材料(水泥漿)、有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料。其中無機(jī)材料以水泥漿為主，具有材料來源廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在容易離析、漿液穩(wěn)定性差、注漿有效擴(kuò)散半徑小等問題；有機(jī)材料以高分子材料為主，煤礦最為常用的有機(jī)注漿材料聚氨酯，有機(jī)注漿材料具有粘度低、強(qiáng)度高以及粘結(jié)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在存儲(chǔ)時(shí)間短、部分材料釋放有害氣體以及反應(yīng)時(shí)釋放熱量等問題。有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料綜合兩種注漿漿液優(yōu)點(diǎn)，不僅具有較強(qiáng)的可注性，而且能降低注漿材料反應(yīng)溫度，提高了阻燃性能。為此，本次注漿采用型號(hào)SCPJG-2有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料，該注漿材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 注漿材料性能參數(shù)

2.2 注漿加固鉆孔設(shè)計(jì)

注漿鉆孔布置參數(shù)與注漿漿液擴(kuò)展半徑密切相關(guān)。3607運(yùn)輸巷掘進(jìn)范圍內(nèi)地應(yīng)力大，雖然裂隙發(fā)育，但是在構(gòu)造應(yīng)力以及地應(yīng)力綜合作用下裂隙封閉，注漿加固較為困難。現(xiàn)場對(duì)注漿半徑進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)注漿漿液有效擴(kuò)散半徑為1 500 mm。

3607運(yùn)輸巷在地質(zhì)構(gòu)造影響下巷道掘進(jìn)速度有所降低，具體掘進(jìn)進(jìn)尺降低至4.0 m/d。為了不影響巷道正常掘進(jìn)，在檢修班進(jìn)行注漿加固。在運(yùn)輸巷掘進(jìn)至200 m位置時(shí)開始注漿，具體注漿加固位置為巷道頂板上方2.5 m以及肩窩向外1.5 m位置。3607運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)寬度為5.5 m，現(xiàn)場共布置3個(gè)注漿鉆孔，其中1號(hào)注漿孔在距離巷道左幫500 mm位置施工，開口位于巷道頂板下方300 mm位置處，鉆孔仰角以及擴(kuò)散角均為15°；2號(hào)鉆孔與1號(hào)鉆孔間距為2 000 mm，開口位于頂板下方300 mm位置，仰角15°，擴(kuò)散角0°；3號(hào)鉆孔與2號(hào)鉆孔間距為2 000 mm，仰角及擴(kuò)散角均為15°，距離巷道頂板300 mm。在掘進(jìn)迎頭布置的注漿孔孔深均為6 000 mm，鉆孔孔徑均為42 mm。具體注漿鉆孔布置如圖2所示。巷道每掘進(jìn)4 m開始一個(gè)循環(huán)注漿。

圖2 掘進(jìn)迎頭注漿鉆孔布置示意

2.3 注漿加固參數(shù)

1) 注漿量。注漿量是衡量注漿加固效果的一個(gè)重要指標(biāo)，具體注漿量可通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定[6]。依據(jù)3607運(yùn)輸巷實(shí)際地質(zhì)條件以及注漿鉆孔布置，具體計(jì)算得到的單個(gè)注漿鉆孔注漿量約為0.62 m3，注漿量約為760 kg。巷道每個(gè)注漿循環(huán)注漿孔孔深為6.0 m，共計(jì)3個(gè)鉆孔，因此單個(gè)循環(huán)鉆孔注漿量約為2 280 kg。注漿采用的CPJG-2有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料A、B組分按照1∶1配比混合均勻。

2) 注漿壓力。鉆孔注漿壓力與地應(yīng)力密切相關(guān)。現(xiàn)場測(cè)試發(fā)現(xiàn)，3607運(yùn)輸巷掘進(jìn)范圍內(nèi)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力分別為水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力，其中最大主應(yīng)力為26～36 MPa，分布方位角介于140～172°之間，最大主應(yīng)力方向與巷道掘進(jìn)軸向間有63～82°夾角。3607運(yùn)輸巷掘進(jìn)范圍內(nèi)最大主應(yīng)力取值為28 MPa、與掘進(jìn)軸向夾角取值為70°，則最大主應(yīng)力在垂直、水平方向上應(yīng)力分量分別為14 MPa、21.6 MPa。為了確保注漿漿液可有效擴(kuò)展，因此巷道注漿壓力應(yīng)在14 MPa以上，具體取值范圍為14～18 MPa。

3 注漿加固效果分析

在3607運(yùn)輸巷掘進(jìn)迎頭采用圖3所示的加固流程進(jìn)行超前注漿加固。注漿加固完成后從漿液擴(kuò)散、巷道掘進(jìn)進(jìn)尺以及巷道成型等方面對(duì)注漿加固效果進(jìn)行分析。注漿后通過布置窺視鉆孔對(duì)注漿漿液擴(kuò)展情況進(jìn)行窺視，發(fā)現(xiàn)鉆孔實(shí)際擴(kuò)展半徑可達(dá)2.0 m，在后續(xù)巷道注漿加固時(shí)可對(duì)注漿半徑進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。注漿加固后，巷道在地質(zhì)構(gòu)造帶掘進(jìn)時(shí)基本不出現(xiàn)超高問題，巷道成型效果得以好轉(zhuǎn)。注漿加固前受到地質(zhì)構(gòu)造影響，巷道掘進(jìn)進(jìn)尺降低至4.0 m/d，注漿加固后，巷道掘進(jìn)過程中基本不受破碎圍巖影響，每個(gè)完整生產(chǎn)班可掘進(jìn)4.0 m，巷道掘進(jìn)進(jìn)尺量增加至8.0 m/d。通過注漿加固為巷道掘進(jìn)創(chuàng)造了良好條件。

圖3 注漿加固流程

4 結(jié) 語

3607運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中受DF53、DF56斷層影響，圍巖較為破碎，制約了巷道掘進(jìn)以及圍巖支護(hù)等工作的開展。為了確保巷道安全高效掘進(jìn)，提出采用超前注漿方式加固斷層破碎帶內(nèi)圍巖，從而給巷道掘進(jìn)以及圍巖支護(hù)創(chuàng)造良好條件。

依據(jù)3607運(yùn)輸巷實(shí)際地質(zhì)條件對(duì)超前注漿加固參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場應(yīng)用后，巷道掘進(jìn)過程中超高問題基本解決，巷道掘進(jìn)進(jìn)尺由加固前的4.0 m/d增加至8.0 m/d。注漿加固可為巷道掘進(jìn)以及圍巖控制創(chuàng)造良好條件，現(xiàn)場取得了較好的應(yīng)用成果。