采掘擾動頂板圍巖控制策略及新技術新材料應用

郭 存

（山西焦煤集團正仁煤業有限公司，山西 忻州 036411）

0 引 言

理論研究表明，巷道圍巖穩定性既取決于其所受的應力狀態，又取決于圍巖體的強度力學性質。因此，控制圍巖的穩定應從改善圍巖應力環境和圍巖力學性質兩方面入手。對于山西焦煤正興煤業礦井大埋深復雜構造區強采動復合頂板巷道，通過優化大巷保護煤柱尺寸（降低兩翼工作面采動力源），能夠從一定程度上降低強采動應力對大巷的影響，但是巷道仍不可避免要受到大埋深、高構造應力以及采動影響疊加作用形成的高應力環境影響。

由于大巷為典型的復合軟巖頂底板，圍巖強度低，承載能力差，各巖層層理弱面極易受高應力作用發生剪切滑移破壞，此時不論采取何種支護方式，高應力環境都不可避免會超過大巷圍巖強度或者層理面抗剪強度，即大巷圍巖初期的破壞不可避免。

1 圍巖穩定性控制原理

1.1 “先釋后控- 抗剪阻脹”控制理念

圍巖控制的一般方法是通過錨桿（索）等主動支護，擴大承載圈半徑，使圍巖“自穩”。不論采取何種支護都無法阻止圍巖初期剪切破壞，只能后續補強?；诖颂岢觥跋柔尯罂亍眹鷰r控制思路，“釋”指的是允許圍巖初期破裂，釋放應力；“控”指的是對破裂后圍巖及時補強控制圍巖變形發展?！翱辜糇杳洝焙诵睦砟钪饕▋煞矫妫阂皇菑娏辜羟兄ёo結構阻止破裂圍巖滑移錯動和擴容；二是原位改性調控破裂圍巖強度與錨固性能。

目前技術和經濟上可行4179 的方法主要是“錨注支護”技術，其策略是：巷道開挖后立即采用一次高強支護降低巷道初期變形；當巷道初期剪切破壞完成后，采用二次支護與注漿加固技術強化破裂圍巖，確保圍巖穩定性。下面簡要分析“錨注支護”技術的主要作用機理。

1.2 高強錨桿（索）支護作用機理

錨桿（索）支護對圍巖結構面的本質作用在于通過桿體徑向抗拉和切向抗剪，對結構面離層與滑動起到有效阻止作用，緩解圍巖內部新裂紋產生，避免圍巖產生較大變形破壞，如圖1 所示。錨索支護的基本原理是懸吊作用，將淺部易垮落圍巖應力傳遞至深部穩定層，擴大圍巖承載圈，如圖2 所示。錨桿與錨索預應力在圍巖中的擴散，從而顯著的改善巷道支護效果。

圖1 大巷圍巖錨桿支護力學作用模式

圖2 巷道頂板主動支護作用力學機制

1.3 注漿改性作用機理

對圍巖進行注漿改性，可大大提高圍巖強度（黏結力和內摩擦角），增強圍巖自承載能力。軟弱破碎圍巖注漿重構改性后圍巖完整性及強度的提高，不僅提高了巷道圍巖的承載效果，還將大大提升錨桿（索）支護的效果，實現錨注協同，因此注漿重構改性技術對于軟弱破碎巷道圍巖穩定性控制具有重要意義。為分析注漿重構改性支護效果，設注漿前后巖體粘結力和內摩擦角分表為C、φ與C'、φ'，分別增加了ΔC和Δφ，則有：

則，由于注漿加固圍巖承載能力的增加值為：

其中：Δσ1=σ'1-σ1，t為加固拱厚度。

注漿同時也可為加固范圍外的圍巖體提供高抗力的結構性約束，作用機理如圖3 所示：

圖3 注漿原位改性重構破裂圍巖承載體系的作用機理

1）改善破裂巖體物理力學狀態。漿液充填和封堵圍巖裂隙可減輕圍巖風化，防止圍巖被水浸濕而軟化；注漿使破裂巖體膠結成整體，其承載性能顯著提高。

2）提高多層組合拱結構的可靠性與承載能力。注漿加固形成多層組合拱由噴網組合拱，錨桿將多層組合拱連成一個整體，實現共同承載，擴大了支護承載范圍。

3）高約束阻止深部圍巖塑性區發展。破裂巖體加固后轉化為理想彈塑性體，承載能力顯著提高，隨圍巖變形的增加，引起加固體內應力提高，形成對深部破裂巖體的有效約束。

1.4 頂- 幫、底- 幫整體滑移控制機理

幫和頂底板是相互作用、影響的統一體，加強頂- 幫、底- 幫支護能改善圍巖整體的穩定性。具體來講，大巷肩角、底角一般為三向受壓穩定區，可利用肩角、底角穩定區巖石作為深層錨固區域，通過斜錨索梁建立“幫- 頂”與“幫- 底”整體承載結構（如圖4 所示），提高煤層- 頂底板巖層界面間的抗剪強度，提升巷道圍巖控制效果。

圖4 基于肩角、底角穩定錨固區抗剪約束承載作用機理

2 開拓大巷圍巖控制策略

針對山西焦煤正興煤業礦井開拓大巷及硐室圍巖變形破壞特點以及圍巖控制難點，考慮到現有的常規支護方式的技術局限性，基于上述提出的高應力環境下大巷圍巖“先釋后控- 抗剪阻脹”控制原理，經研究決定采用“優先控制采動應力環境+一次主動及時強力約束支護控制初期變形破壞+二次注漿加固保障圍巖后期穩定”的綜合控制策略，總體思路如下：

2.1 優先控制采動應力環境（降低遠場采動力源）

山西焦煤正興煤業礦井原設計的回采工作面與開拓大巷之間留設保安煤柱尺寸為30 m，導致3 條大巷及硐室受到兩翼工作面回采的超前采動應力疊加作用影響，處于強采動應力環境，煤柱上最大垂直應力為原巖應力3.06 倍，超前采動應力的影響劇烈。為降低兩翼工作面超前采動影響，可采用“增大3 條大巷的保護煤柱尺寸”或者采用“頂板弱化轉移采動應力”等2 種方案來降低超前采動應力影響：

1）方案一：增大3 條大巷的保護煤柱尺寸。圖5為數值模擬獲得的山西焦煤正興煤業礦井典型回采工作面周圍垂直應力三維分布云圖，可以看到在回采工作面前方50 m 范圍之外采動應力集中系數已降低至k=1～2。因此，選擇通過增加大巷的保護煤柱尺寸來降低采動影響時，建議大巷保護煤柱應不小于50 m。

圖5 典型回采工作面周圍三維垂直應力分布圖

2）方案二：頂板弱化轉移采動應力。通過切頂等方式在回采工作面與大巷之間頂板中形成人工裂隙網絡，弱化工作面頂板，減少或阻斷采動應力傳遞路徑，來實現采動應力向遠離“圍巖”方向轉移和降低圍巖采動力源烈度的目的，從而保障大巷處于良好的應力環境。結合山西焦煤正興煤業礦井井下的實際情況，可行的采動應力轉移技術方案主要包括如下3 種：①預掘工作面回撤通道，利用回撤通道進行切頂卸壓，阻止采動應力向大巷傳遞。②利用工作面兩側順槽，向保護煤柱上方頂板中打超長鉆孔進行水力壓裂或爆破弱化，阻斷采動應力傳遞路徑。③利用大巷，向保護煤柱上方頂板打長鉆孔進行水力壓裂或爆破弱化，阻斷采動應力傳遞路徑。

上述技術方案須結合現場具體施工條件選擇，具體的技術方案另外研究制定。

2.2 一次主動及時強力約束支護控制初期變形破壞（釋放圍巖近場應力）

巷道掘出后必須立即加強支護強度，可采用“高強高預應力錨桿+菱形金屬網/鋼筋網+W 鋼帶/M型鋼帶+大直徑錨索”為核心的強力主動約束支護提高圍巖自承載能力，最大程度降低巷道初期變形速率并保持巷道周邊圍巖的整體性，緩慢釋放近場圍巖應力，使圍巖最大限度的發揮塑性區承載能力而又不松動破壞。

2.3 二次滯后高性能注漿介入改性強化支護（重構圍巖再承載體系）

巷道掘出后，在合適的注漿時機（滯后相鄰回采工作面）對大巷破裂圍巖進行高性能漿材注漿修復改性強化，重構破裂圍巖力學性能與載荷傳遞能力，提高錨桿錨索錨固力，確保在圍巖中形成一個有效的承載拱受力結構，以遏制圍巖裂隙向深部擴展，保障巷道服務期內圍巖的總變形量控制在允許范圍。

上述提出的山西焦煤正興煤業礦井開拓大巷圍巖穩定性控制策略在現場實施過程中，可根據大巷所受采動影響情況，考慮將大巷分為已受采動影響段圍巖修復控制技術、后續將受采動影響段圍巖補強控制技術2 種類型進行針對性治理。

3 開拓大巷圍巖控制新技術與新材料

3.1 新型超高強抗彎剪注漿錨索支護技術

橫、切向高應力作用下的錨索易出現扭曲失效現象，無法做到全長錨固，此外，錨索體抗彎剪能力較低，常用7 股或19 股鋼絞線錨索有柔性特征。因此，增強錨索抗彎剪性能是當前煤礦巷道圍巖控制中迫切需要解決的一個難題。

中國礦業大學研制了一種新型的超高強抗彎剪注漿錨索支護裝置與支護方法，主要包括錨索體、配套的托盤和鎖具、抗彎剪- 注漿一體化裝置等，如圖6 所示。其中，錨索可選擇1×7 或1×19 股高強低松弛預應力鋼絞線，樹脂錨固長度1.5～2.0 m，錨索托盤采用300 mm×300 mm×20 mm 高強托板及配套高強鎖具。在錨索安裝鎖具與托盤前，在錨索外部套上抗彎剪- 注漿一體化裝置。

圖6 新型抗彎剪注漿錨索結構示意圖

抗彎剪- 注漿一體化裝置是抗彎剪注漿錨索核心裝置，包括抗彎剪鋼管、出漿孔、連接頭、進漿管、密封圈等部分。其中，抗彎剪鋼管采用無縫鋼管制作，壁厚1.5 mm，外徑28 mm，長度2.0～3.0 m（根據實際需要確定），輥壓螺紋，管壁上順序鉆有出漿孔。

抗彎剪鋼管尾端焊接連接頭，連接頭上焊接進漿管，進漿管與外部注漿泵連接。為防止漿液從鉆孔溢出，在抗彎剪鋼管外表面以及連接頭尾部分別設有密封圈。

注漿時，漿液流動過程為注漿泵→進漿管→連接頭→抗彎剪鋼管→出漿孔→錨索鉆孔→圍巖裂隙。注漿完成后，漿液漿使得錨索索體、抗彎剪鋼管與圍巖形成一個“索體- 漿體- 鋼管- 漿體- 圍巖”復合結構整體，具有良好的抗彎剪效果。

3.2 基于納米改性的新型高性能水泥基注漿改性材料

中國礦業大學在多年注漿工程實踐的基礎上，采用超細粉磨生產加工的方式來制備無機高性能水泥漿液改性劑。主要化學成份為SiO2和Al2O3，其可溶性硅及鋁的含量不低于10%和8%。改性劑是采用機械研磨法生產加工，在粉碎的過程中顆粒與沖擊板及顆粒間的碰撞能量大部分轉化成顆粒的內能和表面能，致使顆粒比表面積和比表面能增大，其力學性能發生明顯變化，使其強度、硬度、抗老化性、耐久性等性能指標成倍提高。

通過掃描隧道顯微鏡分析，可以發現該新型改性劑明顯呈現出絮狀和網狀的準顆粒結構，如圖7所示。顆粒尺寸小，約10±5 nm，比表面積大，達到30%～40%的體積百分比。

圖7 新型漿液改性劑的微觀結構圖

該新型改性劑對水泥漿液性能優化提升的原理主要表現為：

1）提高漿液穩定性。新型改性劑具有特殊網狀結構，內部充滿孔徑大小不等的空腔和孔道，具有較大開放性，摻入水泥后，表現出一定的親水性，從而降低水泥漿液析水性。

2）改善漿液流動性和滲透性。新型改性劑加入水泥漿液中，由于其布朗運動活潑，改變了水泥顆粒表面的電位、電荷，增大了顆粒的潤濕角，使得水泥顆粒充分水化，形成以小顆?；驘o顆粒溶液（真溶液），滲透能力可以達到化學漿液效果。

3）提高漿液結石體強度。改性劑具有微充填效應，改善了水泥凝固的三維結構，改善水泥混凝土的堆積密度，既減表面水又減間隙水；同時改性劑中的活性氧化硅和活性氧化鋁參與水泥膠凝材料水化和凝結硬化過程，能與水泥水化時析出的游離氫氧化鈣Ca（OH）2反應，生成水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣，促進水泥水化，增加了C-S-H 凝膠的產物從而提高了水泥結石體強度。

為研究不同的新型無機水泥漿液改性劑摻量對水泥基漿液流變性能的影響，將新型漿液改性劑與普通水泥漿液流動性能對比，結果見表1：

由表可知：

1）改性劑用量由5% 增加到7% 時，水泥漿粘度先降后升，流動性先升后降；改性劑用量由7% 增加到10% 時，水泥漿的粘度逐漸降低，流動性逐漸升高，說明改性劑用量高于7% 對水泥漿流動性的影響較顯著且趨勢穩定。

2）內摻8%～10% ，水灰比0.5∶1.0～0.6∶1.0水泥漿的流動度與1∶1 水泥漿的流動度相當。因此，從水泥漿流動性角度考慮，漿液水灰比控制在0.5∶1～0.6∶1，改性劑用量為內摻8%～10%最佳，此時漿液具有高流動性，泵送性能好。

進一步對內摻8%～10% 時水灰比為0.5 的水泥漿液結石率和強度力學性能進行了測試，見表2。

表2 新型漿液改性劑對普通水泥漿液強度性能的影響測試結果

由于新型改性劑能發揮多種綜合作用，漿液懸浮性增強，在低水灰比條件下，漿液仍具有很好流動性；可以減緩離析沉淀，減水、縮短凝固時間，提高固結率和固化強度，顯著優化了普通水泥漿液的性能，為保證巷道高質量注漿施工質量奠定了基礎。

針對山西焦煤正興煤業礦井復合軟巖頂底板圍巖的實際情況，一種較為合理的新型高性能水泥基漿液的配比為：水泥（P.O.42.5）∶新型改性劑∶水=（0.45～0.50）∶0.05∶1。

3.3 錨注信息化精準施工技術與工藝

注漿是一個“黑箱”過程，現有的注漿施工技術主要靠人工分析、決策、模糊判定，缺乏數據信息基礎，在注漿加固細節上，部分注漿孔的注漿壓力未達到設計值就被提前結束注漿，導致漿液滲透擴散范圍不夠；還有一些注漿孔的漿液配比不達標，漿液密度過小，雖然注漿量達到要求，但是漿液結石率很低，甚至由于漿液析水會進一步惡化圍巖性質，加劇圍巖破壞的發展。

因此，提出錨注巷道信息化施工方法，其主要核心思想是“信息化施工”，工藝流程如圖8 所示。

圖8 錨注信息化精準施工方法

圖9 典型的錨注支護工程信息化精準施工

信息化精準注漿施工方法主要包含如下4 個方面的核心技術：

1）注漿智能數字化在線監測。利用數字監測系統，精準獲得每一個注漿孔的注漿量、壓力、漿液密度、水灰比等信息。

2）注漿過程實時調控。根據在線監測數據進行實時計算，與相關設計指標比較判斷，對注漿工作過程實時調控。

3）注漿效果綜合評價。注漿結束后，分析漿液總體分布特征及注漿量與相應地層的匹配性，評價漿液滲透效果。

4）注漿參數動態優化調整。根據注漿評價結果，對注漿參數進行重新優化調整，及時運用到下一個注漿施工過程中。

4 結 語

針對山西焦煤正興煤業礦井大埋深復雜構造區強采動復合頂板大巷，支護理念應當是允許圍巖破裂（釋放應力），但必須對破裂后圍巖及時采取強力高效控制技術阻止圍巖沿著破壞面剪切錯動，抵抗破裂塊體滑移運動，在破裂圍巖中重構形成新的高性能承載體系，遏制圍巖裂隙向深部的擴展，有效控制圍巖變形發展，提出了“先釋后控、扛剪阻脹”的開拓大巷及硐室圍巖穩定性綜合控制策略，現場應用效果良好。