基于复合注浆材料的断层破碎区巷道锚注支护

2021-08-05耿耀强索永录赵腾飞张红卫胡国和马小辉

西安科技大学学报 2021年4期

耿耀强，索永录，赵腾飞，张红卫，胡国和，马小辉

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054；2.渭南陕煤启辰科技有限公司，陕西渭南 714000；3.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程中心，陕西西安 710065；4.陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西咸阳 712000)

0 引言

深部“三高一扰动”作用使得复杂地质环境下的巷道围岩呈现变形大和破坏严重的特点[1-3]。强烈的开采扰动应力使断层出现不同程度的活化，其对突水溃沙、顶板冒落、冲击地压、片帮、煤岩体失稳等灾害产生重大影响[4-6]。国内外学者针对断层区域煤岩体稳定性控制的研究表明：注浆加固技术可达到有效控制断层开采扰动区围岩变形破坏的目的[7-10]。

水泥及添加剂等因其来源广、成本低和结石率高等优点而成为注浆加固的首选材料。但由于水泥的颗粒较大，导致其可注性和加固效果较差。为此，管学茂、郭东明和吴爱祥等研制了超细水泥浆，解决了可注性差的问题[11-14]。但超细水泥浆耐久性差，后期强度往往不足，限制了其应用[15]。而聚氨酯类化学注浆材料因具有黏度低、可注性好和强度高等优点而成为注浆加固材料的新选择[16]，但传统的聚氨酯注浆加固材料需掺用一定的阻燃剂来满足阻燃要求[17]，而这些阻燃剂多含有高氯离子，危害矿工健康。因而，研制一种既能保留聚氨酯本身良好的性能又能避免其阻燃等缺点的新型材料成为必须解决的问题。

在巷道围岩稳定控制上，刘泉声等揭示了深部围岩的变形规律及支护难点，提出分步联合支护的设计理念[18]。郭相平等分析了应力环境及围岩变形破坏特征，提出了全锚索支护技术[19]。孟庆彬等获得了巷道断面形状对围岩变形破坏失稳的影响规律，提出“三锚”联合支护体系[20-22]。王连国等基于巷道围岩的变形及破坏特征，提出了以注浆锚杆和注浆锚索为核心的深-浅耦合全断面锚注支护方法[23]。这些为巷道围岩的稳定性控制提供了宝贵的经验，但巷道在不同复杂地质环境下的破坏特征差异明显，因而其支护方法也将是不同的。

针对上述问题，以彬长矿区孟村煤矿中央一号回风大巷过DF29大断层为背景，研制了一种可注性好、反应温度低的新型注浆加固材料。并据巷道围岩变形破坏范围和分布特征，提出一种以中空注浆锚索为核心的锚注加固补强技术，且对其注浆加固效果进行了验证。

1 井田概况及地应力特征

1.1 工程地质概况

孟村煤矿位于国家规划的14个亿吨级大型煤炭基地之一的黄陇侏罗纪煤田彬长矿区中西部，建设规模600万t/a，以4#煤层为主采煤层，煤层厚度平均为24 m，埋深普遍超过700 m，采用综采分层放顶煤采煤方法，回采煤层厚度10.5～12.0 m。

中央一号回风大巷于里程1 643 m位置揭露DF29断层，落差33 m，煤层顶板破坏较严重，如图1所示。中央一号回风大巷受高地应力、冲击地压、DF29大断层、采动影响、厚煤层托顶煤等因素影响，造成1 560～1 800 m区段巷道变形破坏严重，主要表现为巷道底鼓、锚索拉断、巷道顶部浆皮局部开裂、脱落等，且巷道断层附近约40 m范围存在淋水现象，严重影响行人安全，如图2所示。

图2 中央一号回风大巷破坏平面位置

根据中央一号回风断层附近周围钻孔资料及已揭露的地质情况综合分析表明：煤层结构较简单，一般含2层夹矸，且位于煤层的中上部，煤层上部均为块状，下部为碎片及碎粒状。实验室测得4#煤上、下分层的单轴抗压强度分别为19.37，26.88 MPa。而4#煤层伪顶多为黑色炭质泥岩，厚度小，直接顶板为较易冒落的泥岩、粉砂岩、砂质泥岩，岩石饱和抗压强度为0.4～25.8 MPa。基本顶为泥质胶结的中粒砂岩和粗粒砂岩，实验室测得其单轴抗压强度分别为28.75，24.53 MPa。底板岩性一般为泥岩及粉砂岩，局部为细粒砂，泥岩单轴抗压强度平均为17.99 MPa。中央一号回风巷道围岩柱状图及物理力学参数见表1。

表1 巷道围岩柱状图及物理力学参数

1.2 地应力特征

为获得矿区地应力分布特征，对首采区的3个测点进行了地应力原位测量，其测点和地应力方向如图3所示。结果表明：中央一号回风大巷处测点的最大主应力为水平应力，其值为30.52 MPa，与巷道轴向夹角为65°～81°。该地应力场属于超高应力区，对巷道顶底的稳定性影响较大。

图3 孟村矿井水平主应力方向测量示意

1.3 巷道围岩原支护方式及破坏特征

中央一号回风巷道断面为直墙半圆拱形，巷道设计宽度6 m，高度4.9 m，原始设计采用“锚网索喷”支护：全断面铺设1 500 mm×800 mm×100 mm钢筋网；喷射C25混凝土150 mm；螺纹锚杆参数为φ22 mm×L2500 mm，间排距700 mm×700 mm；锚索参数为φ21.8 mm×L7 100 mm，间排距1 200 mm×1 400 mm。

但由于高地应力、煤岩层含水、DF29断层、和开挖扰动等使得原有支护失效而破坏。经现场探查和钻孔发现：巷道1 560～1 800 m区段的喷层大片开裂脱落、钢筋网鼓出外露、拱顶变平、顶板下沉、架棚弯曲，如图4所示；巷道帮部和肩角处破坏较大，两帮部距巷道4 m处存在大裂隙。

图4 中央一号回风巷道变形破坏

2 新型矿用复合注浆加固材料

市场上使用较多的聚氨酯类加固材料具有较高的反应温度(最高反应温度可达140 ℃以上)，阻燃性能相对较差，需要加入大量含卤素元素的阻燃剂来达到阻燃性要求，施工现场一旦发生聚热导致的高温冒烟或着火，就会产生大量的有毒气体，危害到井下施工人员的人身安全。

针对聚氨酯加固材料存在的问题，结合预应力中空注浆锚索，研发了一种低反应温度高强度矿用复合注浆加固材料(SCPJG-2)，该材料通过添加环氧树脂来降低聚氨酯(PAPI)的用量，从而达到降低最高反应温度，提高抗压强度的目的。而且，该注浆材料还具有反应时间可调、可注性与流动性好和粘结性强的优点。矿用复合注浆加固材料如图5所示，其性能指标见表2。

表2 SCPJG-2型矿用复合注浆加固材料的性能指标

图5 SCPJG-2型矿用复合注浆加固材料

3 断层破碎带巷道围岩锚注支护设计

3.1 支护原理

考虑到断层破碎带巷道围岩变形破坏较为严重，在原有支护基础上，选择以中空注浆锚索为主的锚注支护补强技术，其支护原理是：通过中空注浆锚索将矿用新型复合注浆材料注入破裂围岩内，以充填孔裂隙等缺陷，使其胶结成整体，并在巷道浅部区域内形成注浆加固环，以此提高围岩体的内聚力及内摩擦角，增加围岩体的整体承载能力。此外在巷道深部区域内形成局部注浆加固体，以与注浆锚索共同对浅部围岩加固部分起到悬吊、承载的作用，达到控制围岩稳定的目的。

3.2 支护方案及参数

在设计锚注补强支护相关参数时，为了能更精确地确定注浆锚索的长度和间距等，需要先获得巷道围岩的塑性破裂区范围和分布特征[24]。因此，利用COMSOL数值软件建立了中央一号回风大巷二维模型，如图6所示，尺寸60 m×60 m。在进行巷道围岩塑性破坏区数值计算时，模型的左右边界为辊支撑边界，即约束法向位移；底部边界为固定边界，即约束所有位移；上边界为上覆岩层的重量为17.5 MPa，其它围岩力学参数见表1。而在进行巷道内复合注浆浆液的渗透扩散范围模拟时，模型的四周皆为理想不可渗透边界；巷道边界也为不可渗透边界；中空注浆锚索内为复合注浆浆液的初始浆液压头边界。

图6 巷道围岩塑性破坏数值模型

根据数值模拟得到巷道围岩塑性破坏云图，如图7所示。从图7可知，巷道围岩在顶板和两帮肩窝的破坏较严重，其塑性破坏区分别为4.8和4.1 m，与现场探查结果基本一致，其帮部塑性破坏区约为2.5 m。

图7 围岩塑性区破坏云图

依据巷道围岩塑性破裂区范围和特征及现场探查结果，设计锚注补强支护方案如下

1)顶板布置中空注浆锚索，其规格为φ22 mm×L7 100 mm，每根锚索使用2支型号为MSK2335和2支型号为MSZ2335的树脂锚固剂，间排距为1 500 mm×1 400 mm，每排5根。其中空注浆锚索结构形式如图8所示。

1 圆钢 2 支撑箍 3 中空钢绞线 4 注浆尼龙管 5 止浆塞 6 托盘 7 矿用锚索锚具 8 注浆钢管 9 丝堵

2)巷道两帮肩窝使用中空注浆锚索进行补强，其型号规格为φ22 mm×L5 800 mm，间排距为1 500 mm×1 400 mm，每排2根。其中央一号回风大巷的完整锚注补强支护方案如图9所示。

图9 中央一号回风大巷支护

3.3 支护效果

图10为现场获得的注浆浆液在顶板内的扩散效果图，其表明注浆浆液能有效扩散并充填胶结破裂围岩，增加了围岩结构的整体性和承载能力。而注浆锚索由树脂端锚变成全长锚固，促使支护体与围岩结构耦合紧密，整体抵抗动载荷对巷道结构稳定性的冲击能力加强。同时，该区域的淋水也得到有效治理。

图10 顶板围岩内浆液扩散效果

为进一步更直观地看到围岩注浆效果，基于上述支护方案，参照文献[24]的方法，通过COMSOL模拟得到巷道围岩内的注浆扩散效果，如图11所示。从图11可知，注浆锚索在浅部围岩内形成厚度为4.5 m的注浆加固环，浆液能够很好覆盖浅部围岩的破坏范围，使浅部破碎的围岩充分地胶结在一起。此外，注浆锚索又能在深部围岩形成注浆加固体，不仅对深部围岩进行加固，且能与浅部围岩形成一个整体，提高围岩整体的承载能力，从而控制巷道围岩变形破坏，维持巷道围岩的稳定。