史文龍

（晉城宏圣金成礦山建筑工程有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

1 概況

晉能控股集團(tuán)長(zhǎng)平礦5304 工作面底抽1 巷，巷道尺寸為5 m（寬）×3.3 m（高），巷道頂板為K7 砂巖或砂質(zhì)泥巖[1]，巷幫為泥巖巖層，泥巖巖層受風(fēng)化和水的影響顯著。為了預(yù)抽瓦斯，需要在底抽巷巷幫及頂板表面斜向上打設(shè)密集的上行Ф113 mm 抽采鉆孔，鉆孔示意圖如圖1。鉆孔的施工擾動(dòng)和工程用水的水化作用進(jìn)一步破壞了底抽巷圍巖的完整性，導(dǎo)致抽采鉆場(chǎng)施工的1～3 個(gè)月后底抽巷圍巖變形嚴(yán)重，部分區(qū)域頂板最大下沉量約0.7～1.0 m，影響了巷道的安全使用。

圖1 5304 底抽1 巷上行鉆孔布置剖面圖（m）

2 底抽巷圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 圍巖礦物成分分析

在5304 底抽1 巷距巷道開口500～700 m 之間的3 處掘進(jìn)面取樣，每處掘進(jìn)面各采3 塊泥巖立方塊體，立方塊體最小尺寸不小于15 cm，累計(jì)泥巖立方塊體9 塊。將所取試樣的X 射線衍射數(shù)據(jù)與礦物的標(biāo)準(zhǔn)X 射線衍射數(shù)據(jù)對(duì)比，得到試樣中的礦物種類見表1。由表1 可知，5304 底抽1 巷泥巖試樣中含有的礦物主要有石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、方解石、白云石、菱鐵礦、非晶質(zhì)礦物和黏土礦物等，其中黏土類礦物總占比達(dá)52.6%。由此表明，5304 底抽1 巷泥巖將對(duì)底抽巷穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，應(yīng)采取科學(xué)合理的措施將其影響降至最低，保障底抽巷的安全服務(wù)。

表1 礦物種類、含量及黏土礦物總量統(tǒng)計(jì)表 %

2.2 瓦斯鉆場(chǎng)及浸水?dāng)_動(dòng)下底抽巷穩(wěn)定性分析

現(xiàn)場(chǎng)踏勘及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，五盤區(qū)底抽巷泥巖是典型的裂隙化軟巖巖層，該泥巖巖層含有大量的宏細(xì)觀裂隙，宏觀裂隙間距基本為厘米級(jí)，徒手或敲擊下較容易沿其宏觀裂隙斷裂[2]，其自然和飽和單軸抗壓強(qiáng)度分別為20.7 MPa 和14 MPa，軟化系數(shù)為0.68，自然和飽和抗拉強(qiáng)度為1.57 MPa和0.92 MPa，軟化系數(shù)為0.59。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，五盤區(qū)底抽巷平均埋深700 m，最大埋深已超過800 m，最大水平地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)為0.88～1.35，最小水平地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)為0.42～0.65，具有顯著的水平構(gòu)造地應(yīng)力特征。底抽巷打設(shè)的密集大直徑上行抽采鉆孔嚴(yán)重破壞了底抽巷兩幫頂板巖層的完整性，顯著降低了底抽巷圍巖的強(qiáng)度及剛度，再加之底抽巷上行瓦斯抽采鉆孔在打設(shè)期間會(huì)向鉆孔注入大量的工程用水，上行瓦斯抽采鉆孔在負(fù)壓抽采期間上方巖層及煤層的裂隙水將流入抽采鉆孔，在工程用水和巖層裂隙水的長(zhǎng)期浸入作用下，裂隙化泥巖將產(chǎn)生膨脹、崩解，進(jìn)一步加劇了底抽巷圍巖完整性的破壞和長(zhǎng)期強(qiáng)度及剛度的損傷弱化。

為了有效控制以上因素對(duì)底抽巷圍巖的破壞，擬采用注漿技術(shù)加固圍巖，通過數(shù)值模擬對(duì)浸水?dāng)_動(dòng)下圍巖注漿加固效果進(jìn)行分析，得到的底抽巷頂板蠕變沉降曲線如圖2。

圖2 注漿加固后底抽巷頂板蠕變沉降曲線

由圖2 可知，底抽巷采取注漿加固措施后，12個(gè)月內(nèi)巷道圍巖變形增幅僅為6.9%，且4 個(gè)月后蠕變變形已收斂，表明注漿加固對(duì)控制底抽巷圍巖變形起到顯著效果，因此設(shè)計(jì)底抽巷圍巖注漿加固方案來控制其圍巖變形破壞。

3 底抽巷圍巖注漿加固方案

3.1 底抽巷圍巖超前預(yù)注漿

注漿孔布置：鉆孔孔徑為42 mm，鉆孔長(zhǎng)度為6000 mm，封孔長(zhǎng)度為1000 mm。在5304 底抽1 巷掘進(jìn)迎頭布置11 個(gè)注漿鉆孔，分為上、中、下三排。上排5 個(gè)鉆孔，鉆孔距離巷道頂板500 m，鉆孔間距1000 mm；中間布置3 個(gè)鉆孔，鉆孔距離巷道底板1650 mm，鉆孔間距2000 mm；下排布置3 個(gè)鉆孔，鉆孔距離巷道底板500 mm，鉆孔間距2000 mm。注漿鉆孔均垂直巷道迎頭煤壁打設(shè)，鉆孔布置如圖3。

圖3 底抽巷超前預(yù)注漿鉆孔布置（mm）

超前預(yù)注漿以6000 mm 為一個(gè)注漿循環(huán)，掘進(jìn)6000 mm 后進(jìn)行下一輪注漿，待注漿完成，迎頭前方圍巖受到漿液加固后再進(jìn)行下一循環(huán)掘進(jìn)。

注漿材料：采用聯(lián)邦雙液無機(jī)注漿材料，正常注漿水灰比為0.8:1，注漿過程中漏漿嚴(yán)重時(shí)可適當(dāng)降低漿液水灰比，最低控制在0.7:1，注漿封孔水灰比為0.7:1[3]。

注漿設(shè)備：采用2ZBQ 型注漿氣動(dòng)泵注漿，攪拌桶為QB150 氣動(dòng)式注漿攪拌桶[4]。

3.2 底抽巷巷幫注漿加固

巷幫注漿加固的注漿材料和注漿設(shè)備與超前預(yù)注漿所用材料和設(shè)備相同。

注漿鉆孔的空間展布位于已施工的相鄰抽采鉆孔之間，注漿鉆孔孔徑為42 mm，鉆孔長(zhǎng)度為6000 mm，封孔長(zhǎng)度為1000 mm。根據(jù)抽采孔或觀測(cè)孔是否返漿來確定注漿終止時(shí)間。瓦斯抽采鉆孔施工完成后即開始巷幫注漿，通過漿液加固巷幫的破碎圍巖。

3.3 注漿加固效果模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)注漿方案的加固效果進(jìn)行分析，圖4 給出了底抽巷破碎圍巖的數(shù)值模擬結(jié)果。從中可清晰地看出，采用該注漿方案后底抽巷圍巖變形大幅度減小，注漿加固后頂板最大下沉量為294 mm，未注漿條件下底抽巷頂板最大下沉量達(dá)986 mm，頂板下沉量增幅達(dá)235%，存在大概率冒頂?shù)奈ｋU(xiǎn)。從底抽巷圍巖變形角度來看，該注漿方案顯著抑制了底抽巷頂板的沉降變形，提高了底抽巷裂隙化泥巖的完整性、強(qiáng)度和抗變形能力。

圖4 底抽巷圍巖總位移云圖

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

5304 底抽1 巷距巷口340～450 m 區(qū)域內(nèi)存在SF421 正斷層與SF312 延伸斷層的組合斷層，組合斷層斷距約14 m，在該區(qū)域進(jìn)行注漿加固試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，瓦斯抽采鉆場(chǎng)打設(shè)前頂板最大沉降變形90 mm，兩幫最大移近量110 mm；瓦斯抽采鉆場(chǎng)打設(shè)后其變形更為顯著，瓦斯抽采鉆場(chǎng)打設(shè)2 個(gè)月后頂板最大沉降變形接近190 mm，兩幫最大移近量210 mm。注漿加固一個(gè)月后其圍巖變形速度開始變緩，至注漿加固三個(gè)月后該區(qū)域變形已趨于穩(wěn)定，此時(shí)頂板最大沉降變形為260 mm，頂?shù)装逡平繛?10 mm，兩幫移近量為305 mm，最大淺部和深部離層分別為92 mm 和105 mm，滿足巷道安全使用的要求。如圖5。

圖5 底抽巷注漿試驗(yàn)段變形趨勢(shì)曲線

5 結(jié)論

通過對(duì)5304 底抽1 巷圍巖進(jìn)行礦物成分分析，得到了圍巖中黏土類礦物成分含量，分析了底抽巷在瓦斯抽采鉆場(chǎng)及浸水?dāng)_動(dòng)作用下的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了底抽巷圍巖超前預(yù)注漿和巷幫注漿的加固方案，并通過數(shù)值模擬分析了注漿加固效果?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，注漿加固三個(gè)月后底抽巷圍巖變形趨于穩(wěn)定，巷道變形量和頂板離層量均滿足巷道安全使用的要求。由此可見，注漿加固是解決底抽巷圍巖受風(fēng)化和水化、抽采鉆場(chǎng)擾動(dòng)等破碎變形失穩(wěn)的有效措施，為長(zhǎng)平礦底抽巷圍巖控制提供了參考。