含夹矸厚煤层地面定向钻预注浆围岩改性及巷道支护技术研究

李 贤，孟祥瑞，程 详，赵光明，顾清恒，纪宝柱

(1.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 矿业工程学院，安徽 淮南 232001；3.淮南矿业(集团)有限责任公司博士后科研工作站，安徽 淮南 232001；4.安徽亳州煤业有限公司 信湖煤矿，安徽 亳州 233600)

综放开采技术已成为我国开采厚煤层的主要方法[1]。综放工作面的两巷多布置于煤层中，在巷道掘进过程中，遇到较为稳定的岩层(夹矸)时，一般会沿岩层底板掘进。此时，巷道顶板为较软弱的夹矸岩层，巷道掘进期间存在顶板离层、脱落，顶、帮防护难度大，施工安全风险高等困难。传统的支护技术很难达到此种顶板条件下的巷道预期支护效果，厚煤顶或夹矸顶板巷道掘进支护成为制约综放开采围岩控制的技术难[2]。众多学者针对厚煤夹矸顶板下的巷道有效支护进行了探讨。秦志宏等[3]为解决厚煤层夹矸顶板巷道维护难的问题，提出了“三心拱U型钢棚+锚索梁+锁腿梁”复合支护技术；裴孟松等[4]通过数值模拟的手段，分析了不同夹矸条件下的巷道围岩的稳定性；耿继业[5]等针对深井高应力煤巷围岩变形剧烈支护难题，提出了微梯形断面巷道支护设计；程利兴[6]等针对口孜东矿巷道支护困难等问题，提出了“高预应力主动支护、注浆改性加固、强帮护顶”为核心的巷道支护技术；肖殿才[7]等分析了深井软岩巷道穿煤层围岩变形失稳的原因，提出了超前预支护+内锚外架联合控顶+锁腿控帮+喷注补强+底板控水卸压”联合的组合控制技术；范明建[8]等采用“强力锚网喷支护与破碎围岩注浆加固于一体”的方法进行支护，有效控制了传统深部复杂巷道围岩变形。

分析以上文献可知，针对复杂条件巷道围岩控制已开展了大量的研究，并取得重要的研究成果，但未提出复杂条件围岩超前治理思想。近年来，随着钻探技术的发展，地面定向钻预注浆技术由于注浆压力高，且在巷道或硐室开挖之前已对破碎异常区内岩层进行加固改性，围岩自承载能力得到加强，同时不影响正常采掘交替，可改善施工环境，在复杂构造区围岩治理广泛应用[9-14]，但涉及厚煤层夹矸顶板巷道的围岩超前治理的研究较为不足。本研究以信湖矿818里机巷沿夹矸底板掘进为工程背景，提出地面定向钻预注浆改性软弱夹矸围岩力学性质以提高围岩强度的技术方案，采用数值模拟、现场实测进行效果评价，为顶板夹矸条件下巷道治理提供思路。

1 工程概况

818工作面为信湖煤矿81采区首采工作面，走向长度2004 m，切眼长度186 m，煤层倾角12～17°，平均14°。主采煤层8煤分81煤与82煤两层，其中81煤层厚度平均3.52 m，82煤层厚度平均2.65 m；8煤组中间夹矸2～3层，多为2层，岩性多以泥岩为主，局部为粉砂岩，81煤与82煤层间夹矸厚0.99～2.01 m，平均1.46 m。818里机巷跟82煤顶板掘进，818里机巷标高是-905.5～-943.9 m，平均埋深-920 m，巷道顶底板情况如图1所示。

图1 818里机巷巷道顶底板情况

818工作面地质条件中等，断层、褶曲不发育，工作面内未发现落差大于5 m断层，无岩浆岩侵蚀等地质异常体。818里机巷跟夹矸底板施工，掘进过程面临的主要问题是夹矸离层严重，巷道顶板支护困难，且8煤埋深大、地压大，81煤与82煤之间赋存的夹矸厚度小，井下短孔、中长孔注浆改性注浆量有限，改造治理难度大。为解决818里机巷掘进过程支护难题，提出了地面定向钻孔预注浆围岩改性技术方案，治理段钻孔穿过81与82煤层中间的夹矸，在高压下浆液向钻孔周围扩散，以达围岩改性的效果。

2 预注浆试验数值模拟

2.1 数值计算模型建立

为了探究预注浆工程对巷道围岩的加固作用，利用有限差分软件FLAC3D，以818里机巷工程地质条件为工程背景建立模型，采用摩尔-库仑准则进行运算。本模型中，设定巷道轴线方向(掘进方向)为Y轴，倾向方向为X轴，铅锤方向为Z轴，向上为正。考虑到巷道开挖后岩石沿巷道径向发生不同程度的破坏[14]，为消除巷道边界影响，设定模型尺寸为X×Y×Z=66 m×20 m×42 m，模型中所包含单元体数量为282819，节点数量为53235。采用818工作面现场取岩石试样，通过实验室力学试验得到岩石的物理力学参数，见表1。818里机巷平均埋深-920 m，模型施加的初始应力为22.5 MPa。

表1 岩层物理力学参数

2.2 模拟结果分析

参考文献[16]中围岩物理力学参数在注浆前后的强化系数，来进行参数的调整，模拟注浆的效果，结果如图2所示。

图2 注浆前、后巷道开挖围岩变形规律

由图2可知，注浆与否，对于巷道围岩变形量影响较为明显。将注浆前、后围岩变形量进行对比，发现注浆时较于非注浆时，巷道的顶板下沉量减小33.3%，两帮移近量减小36.5%。

图3数据表明，注浆后巷道开挖时围岩应力相较于注浆前有所变大，但应力集中区明显向深部转移，应力峰值由距离帮部1.1 m位置转移到距离帮部3.3 m位置，围岩应力状况得到改善。从模拟结果分析，对818里机巷采用地面定向钻预注浆加固巷道顶板夹矸，可以一定程度降低围岩变形量，改善巷道周围的应力环境，进而说明地面定向钻预注浆围岩改性技术有利于巷道掘进期间围岩稳定性控制。注浆前、后巷道开挖围岩应力分布规律如图3所示。

图3 注浆前、后巷道开挖围岩应力分布规律

3 现场注浆及效果检验

3.1 现场试验

针对818里机巷工程治理层位的81与82煤层中间的夹矸，在地面实施开孔后，配合精确控制钻孔方向技术对巷道水平治理段的围岩进行注浆加固。设计1个顺巷道水平孔组，编号为S6孔组，沿巷道中心布置，穿81煤与82煤之间的夹矸钻进。钻孔共分三次施工：

1)一开(近)直孔段，孔径∅311 mm，预计孔深480 m，下入244.5 mm×8.94 mm通天套管，固井返至孔口。

2)二开定向导斜段，孔径∅215.9 mm，预计孔深1078 m，下入177.8 mm×8.05 mm通天套管，固井返至孔口。

3)三开治理段，孔径∅152 mm，裸孔顺煤层夹矸钻进320 m，注浆改造巷顶夹矸强度。

地面定向钻孔现场采用标号P.O.42.5普通/复合硅酸盐水泥注浆，水泥浆比重1.2～1.7 t/m3。注浆前进行现场压水试验，分析得到孔口注浆终压设计为15～25 MPa，具体注浆参数见表2。

表2 S6钻孔注浆情况汇总

为保证巷道治理效果，巷道治理孔沿巷道中心线布置，对三开巷道治理段进行钻探。其中巷道治理段约320 m，定向孔治理段距离瓦斯鉴定巷最近距离279 m。定向钻孔布置的设计如图4所示。

图4 地面定向钻布置

3.2 注浆效果检验

采用钻孔窥视方法，检测地面定向钻预注浆加固顶板夹矸后围岩改性效果。钻孔窥视探测在818里机巷内进行，探测区域避开顶板淋水地段，共设置2个探测区域，具体位置为：J6点前90 m和J6点前107.82 m，探测点位均为巷道顶板，使用∅42 mm的钻头施工，钻孔施工至81煤顶板1 m。钻孔施工结束后，立即使用GD3Q-GA 4D超高清全智能孔内电视进行探测。对于地面定向钻预注浆效果的检验，重点观察顶板夹矸层位，通过窥视观察顶板夹矸浆液扩散情况。

探测区域1的窥视结果如图5所示。距孔口0.2 m位置顶板较为破碎，0.2～0.4 m范围围岩完整性较好，裂隙不发育，基本上无浆液扩散情况；距孔口0.6～1.4 m范围，通过钻孔内壁周边介质反光程度不同，分析为浆液扩散后的凝结体；距孔口1.5 m位置，浆液扩散情况不明显，观察不到孔壁有介质反光现象，判断钻孔周边0.8 m范围存在浆液。

图5 钻孔窥视结果

通过钻孔窥视得到，夹矸泥岩原生裂隙的发育状态直接表明了浆液的扩散情况[17]。地面定向钻高压注浆，在注浆压力作用下，裂隙扩展，浆液对裂隙具有充填、固结作用，使得周围岩石的力学性质得到改善。

4 现场支护与效果评价

4.1 支护方案

由于开采深度的递增，矿压显现极为明显，厚煤顶下巷道支护仅依靠锚杆/索单一支护形式已无法保证巷道的稳定性[18]。淮北矿区经多年实践，已形成一套适合厚煤顶下“降、钻、锚、注、平”支护工艺，已经取得了良好应用效果[19，20]。

针对含夹矸煤层的赋存特征，结合818里机巷地质条件及施工特点，采用“U型钢+锚索梁+锁腿梁”复合支护形式。现场施工时，针对模拟中两帮的应力集中值未显著降低的结果，在巷道的帮部及肩角上方进行了补强支护。

选用U36型钢可缩性三心拱支架支护，棚距700 mm；锚杆规格∅22 mm×2600 mm，间排距800 mm×700 mm；锚索规格YMS21.8/7.3～10.3 m，巷道的具体支护形式如图6所示。

图6 巷道断面支护方案(mm)

4.2 效果考察

为考察地面定向钻孔预注浆围岩改性对818里机巷巷道支护的效果，在818里机巷进行围岩位移监测，分别在注浆区域和非注浆区域(矿压观测对比区域)各布置1个观测区域，测点采用“十”字布点法布置，如图7所示。

图7 测点布置

在注浆区域和非注浆区域选取部分测点，分别为3#测点、5#测点和9#测点、10#测点。对比分析地面定向钻注浆区域与非注浆区域巷道围岩的变形量，评价地面定向钻注浆加固效果及巷道支护状态，结果如图8、图9所示。

图8 非注浆区域巷道围岩变形曲线

图9 注浆区域巷道围岩变形曲线

由图8可知，巷道非注浆区域内两帮在12 d内以较大的速率收缩，在18～20 d左右变形速率降低，移近量也无明显增大；顶板在13～15 d内下沉较快，在20 d左右下沉速率趋于稳定。巷道两帮最大移近量为220 mm，顶板最大下沉量为155 mm。

由图9可知，注浆区域内两帮在10 d内以较大的变形速率收缩，在15 d左右变形速率降低，移近量无明显增加；顶板在7～10 d内下降速度较快，在20 d左右下降速率趋于稳定。巷道两帮最大移近量为150 mm，顶板最大下沉量为98 mm。现场监测结果表明，相较于非治理区域，注浆治理区域内的两帮移近量和顶板下沉量分别降低的比例为31.82%、36.77%。

5 结 论

1)针对818里机巷围岩控制的难题，提出了地面定向钻孔预注浆围岩改性技术方案，通过数值模拟结果分析，该技术对改善围岩力学性质，增强围岩自承载力，降低掘进支护难度有一定效果。

2)现场钻孔窥视结果表明，在地面定向钻注浆技术的高压力下，巷道围岩注浆改性的效果得到保障，再配合采用“U型钢+锚索梁+锁腿梁”的复合支护形式，巷道掘进期间围岩变形得到了控制。