煤巷斷層破碎帶圍巖注漿加固技術研究

任 鵬

（潞安化工集團晉中分公司，山西 晉中 032600）

1 概況

寺家莊煤礦隸屬于潞安化工集團，其15309 工作面主采15#煤層，15#煤層厚度3.92～6.46 m，平均5.49 m，煤層傾角為2°～10°，平均為4°，煤層賦存較為穩定，整體起伏變化不大。煤層頂底板具體巖性情況見表1。

表1 煤層頂底板結構

15309 工作面進風巷沿15#煤層頂板向南隨層掘進，南北方向布置，主要用于15309 工作面回采期間的進風和運料，平均埋深為400 m。巷道設計長度為2895 m，設計為矩形斷面，凈寬×凈高=5200 mm×3400 mm。根據地測部勘探資料，15309 工作面進風巷預計掘進至北一盤區輔助運輸巷往南1 698.5 m 處遇三維地震二次解釋落差5 m的正斷層NDF6。

由于斷層落差較大，巷道掘進至斷層帶時，極有可能出現頂板下沉、底板鼓起及兩幫變形嚴重甚至冒頂的現象。為保證巷道的穩定性及掘進效率，需對巷道過斷層圍巖支護參數及注漿預加固技術展開研究。

2 斷層破碎帶巷道注漿強化技術

2.1 模型建立

根據15309 工作面進風巷實際工程地質條件，采用Comsol 數值模擬軟件建立二維數值模擬模型。模型長度為40 m，寬度為40 m，在模型中央布置巷道，巷道尺寸為5200 mm×3400 mm。模型上表面根據工作面埋深施加一定的均布載荷以模擬覆巖壓力，模型兩邊及底部施加位移邊界約束條件。模擬時假設巷道表面及模型四周為不可滲透的理想邊界，漿液充滿整個鉆孔，并向鉆孔周圍的巖體內擴散，漿液在鉆孔各位置的初始滲透壓力相同。模型中，圍巖體的容重取平均值為25 kN/m3，圍巖的孔隙率為0.057，孔隙滲透率為3.8×10-18，漿液的容重為11.8 kN/m3。鉆孔布置于巷道頂板中間，鉆孔深度為2.5 m，鉆孔直徑為56 mm，模擬單一鉆孔下注漿壓力、注漿時間等參數對漿液擴散規律的影響。

2.2 注漿時間對漿液擴散規律的影響

模擬注漿時間為100 s、300 s、600 s、1000 s下的漿液擴散規律。為消除其他因素的影響，模擬時注漿壓力統一為2 MPa，漿液黏滯系數均為0.14 Pa·s，模擬結果如圖1。不同注漿時間下，漿液的壓力隨著擴散深度的增加均呈衰減的趨勢，擴散至圍巖最遠處時的壓力降低至0 MPa；而隨著注漿時間的增加，漿液在圍巖的擴散范圍有明顯的增加，圍巖同一深度下的漿液壓力也呈增大的趨勢。因此，適度提高注漿時間可以有效增加注漿加固范圍。

圖1 注漿時間對漿液擴散規律的影響

2.3 注漿壓力對漿液擴散規律的影響

模擬注漿壓力為0.5 MPa、2.0 MPa、4.0 MPa、6.0 MPa 下壓頭為20 m 的漿液擴散規律。為消除其他因素的影響，模擬時注漿時間統一為500 s，漿液黏滯系數均為0.14 Pa·s，模擬結果如圖2。由模擬結果可知，20 m 等壓線的漿液呈拱狀分布擴散。隨著注漿壓力的增大，20 m 等壓線逐漸向外擴散，表明增大注漿壓力可以提高注漿加固范圍。另外，注漿壓力由0.5 MPa 增加至2 MPa 時，漿液的擴散范圍增加幅度較大，而注漿壓力由2 MPa 增加至4 MPa、4 MPa 增加至6 MPa 時的漿液擴散范圍并無大幅度的增加，變化較小，說明注漿壓力較小時，漿液的擴散范圍較小，注漿效果欠佳，而當注漿壓力達到一定的值時，繼續增大注漿壓力對漿液的擴散范圍并無明顯的影響。因此，結合實際條件，確定合理的注漿壓力范圍為2～4 MPa。

圖2 注漿壓力對漿液擴散規律的影響

2.4 漿液黏滯系數對其擴散規律的影響

模擬漿液黏滯系數為0.12 Pa·s、0.14 Pa·s、0.30 Pa·s、0.77 Pa·s 下的漿液擴散規律。為消除其他因素的影響，模擬時注漿時間統一為500 s，注漿壓力均為2.0 MPa，模擬結果如圖3。漿液的黏滯系數主要與水灰比有關，根據二者間的定量關系可換算出四種黏滯系數下的漿液水灰比分別為 2:1、1.5:1、1:1及0.8:1。由模擬結果可知，隨著漿液黏滯系數的增加，漿液擴散范圍呈先增大后減小的趨勢，黏滯系數為0.14 Pa·s 時的漿液擴散范圍最大，由此可確定出合理的漿液黏滯系數為0.14 Pa·s，對應的漿液水灰比為1.5:1。

圖3 漿液黏滯系數對其擴散規律的影響

2.5 注漿參數的確定

根據模擬結果，漿液黏滯系數確定為0.14 Pa·s。為確定出具體的注漿壓力，進行正交模擬試驗，模擬結果如圖4。由圖4 可知，隨著注漿時間的增大，漿液擴散范圍逐漸增大，但增加幅度隨著時間的增加逐漸減小。同一注漿時間下，隨著注漿壓力的增加，漿液擴散范圍也隨之增大。當注漿壓力低于4 MPa 時，漿液擴散范圍隨注漿壓力增加而增大的幅度較大；注漿壓力高于4 MPa 時，漿液擴散范圍隨注漿壓力增加而增大的幅度較小。因此，合理的注漿壓力應維持在4 MPa。

圖4 正交模擬試驗結果

綜合上述數值模擬結果可知，合理的注漿壓力為4 MPa，注漿時間不低于600 s，漿液黏滯系數為0.14 Pa·s。此時漿液的擴散范圍為2.0 m，即漿液擴散半徑為1.0 m。

3 斷層破碎帶巷道圍巖控制方案[1-4]

3.1 巷道支護方案

15309 工作面進風巷過NDF6 正斷層時，圍巖較為破碎，應選用支護阻力擴散范圍更大的錨桿及護表能力較強的鋼帶控制圍巖變形。根據實際條件確定出15309 工作面進風巷過斷層的具體指數參數如下：

頂板采用直徑為20 mm、長度為2500 mm 的無縱筋高強錨桿支護，錨桿間距為900 mm，排距為900 mm，每排布置6 根，靠近肩窩側的兩根錨桿與垂線呈20°夾角向外傾斜施工，其余錨桿均垂直于頂板施工，錨桿的屈服強度應不低于350 MPa；頂錨索為直徑21.8 mm、長度6300 mm 的高強度鋼絞線，間距為2000 mm，排距為800 mm，每排布置3根，并保證每根錨索的預緊力不低于330 kN。頂錨索用長×寬×厚=4800 mm×190 mm×5 mm 的M5 型鋼帶搭接在一起進行護表支護。

巷道兩幫支護的錨桿規格與頂板一致，錨桿間距為900 mm，排距900 mm，每排4 根，要求錨桿預緊力矩不小于350 N·m?？拷數装邋^桿施工角度與水平線成20°夾角，其余錨桿施工角度與巷幫垂直，采用2 根1.7 m 的M5 鋼帶相搭接，豎直布置。

頂板及兩幫均用10#菱形鐵絲網護表，每根頂錨桿采用2 支Z2360 型樹脂藥卷錨固，每根幫錨桿采用1 根樹脂藥卷錨固，頂錨索消耗3 支錨固。具體支護設計如圖5。

圖5 巷道支護斷面（mm）

3.2 破碎圍巖注漿加固技術

高強度錨桿支護可以提高巷道表面圍壓，將松軟破碎的淺部圍巖與深部穩定巖層錨固成一個整體。但由于斷層帶附近巷道圍巖破碎程度較高，整體性極差，錨桿支護阻力無法有效擴散，需要對破碎圍巖進行注漿加固，使其形成完整的承載體。根據數值模擬結果，結合15309 工作面進風巷的實際地質條件，確定出注漿加固合理的注漿壓力為4 MPa，注漿時間應大于600 s，漿液黏滯系數為0.14 Pa·s（即漿液水灰比為1.5:1）。

頂板注漿鉆孔間距為1800 mm，排距為2000 mm，每排布置3 個孔；兩幫注漿鉆孔間距為1800 mm，排距為2000 mm，每排布置2 個孔；所有注漿鉆孔的深度均為2500 mm，鉆孔直徑為50 mm。具體注漿鉆孔布置如圖6。

圖6 注漿鉆孔布置圖（mm）

4 圍巖控制效果分析

為分析圍巖控制方案的應用效果，在15309 工作面進風巷過NDF6 斷層破碎帶區域布置測點，對采用控制技術后巷道過斷層時的圍巖變形進行實時監測，監測結果如圖7。

由圖7 可知，過斷層時巷道圍巖初期變形速率較大，變形量持續增長，在20 d 后逐漸趨于穩定。監測期間，頂底板累計移進量為98 mm，兩幫累計移進量為256 mm。兩幫的變形量要高于頂底板，但整體位移較小，圍巖穩定性較好，保證了巷道安全高效地通過斷層構造。

圖7 巷道位移監測曲線

5 結論

（1）通過采用Comsol 數值模擬軟件分析出15309 工作面進風巷過NDF6 斷層破碎帶時的合理注漿參數為：注漿壓力4 MPa，注漿時間應大于600 s，漿液黏滯系數0.14 Pa·s。

（2）根據15309 工作面進風巷實際條件，對巷道支護參數及注漿鉆孔布置參數進行了設計?，F場應用結果表明，巷道圍巖整體位移較小，保證了礦井的安全高效生產。