采掘扰动顶板围岩控制策略及新技术新材料应用

采掘扰动顶板围岩控制策略及新技术新材料应用

 

郭存

（山西焦煤集团正仁煤业有限公司，山西 忻州 036411）

 

摘 要：山西焦煤正兴煤业矿井开拓大巷由于埋深大、复合顶板、受相邻采取扰动影响较大，矿方前期采用传统的锚网索喷支护方式控制顶板形变效果不理想。针对此情况，矿方与中国矿大展开合作，在采掘扰动顶板的普适变形机理基础上，针对该矿开拓大巷实际情况，提出了先释后控、抗剪阻胀、注浆重构改性的控制思路，结合新型超高强抗弯剪注浆锚索、纳米改性新型高性能水泥基注浆材料、锚注信息化精准施工等围岩控制新材料、新技术，现场实践效果良好，可为类似条件矿井提供技术借鉴。

关键词：采掘扰动；围岩补强；锚注加固；应力控制

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Control strategy of surrounding rock of mining disturbed roof and application of new technology and new materials

GUO Cun

（Shanxi Coking Coal Group Zhengren Coal Mine Co. Ltd,Xinzhou 036411, China）

Abstract：Due to the large burial depth, composite roof, and significant disturbance caused by adjacent measures, the development of the main roadway in the Zhengxing Coal Mine of Shanxi Coking Coal Mine has not achieved ideal results in controlling roof deformation using traditional anchor mesh cable spray support in the early stage of mining. In view of this situation, the mine cooperated with China University of Mining and Technology. Based on the universal deformation mechanism of disturbed roof, according to the actual situation of the mine's roadway development, the control ideas of first releasing and then controlling, shear resistance and swelling resistance, and grouting reconstruction and modification were put forward. Combined with new materials and technologies for surrounding rock control such as new ultra-high strength anti-bending shear grouting anchor cable, nano-modified new high-performance cement-based grouting material, and bolt-grouting information precision construction, the field practice effect was good, which can provide technical reference for similar mines.

Key words: Excavation disturbance; Surrounding rock reinforcement; Bolt-grouting reinforcement; Stress control

1 引 言

理论研究表明，巷道围岩稳定性既取决于其所受的应力状态，又取决于围岩体的强度力学性质。因此，控制围岩的稳定应从改善围岩应力环境和围岩力学性质两方面入手。对于山西焦煤正兴煤业矿井大埋深复杂构造区强采动复合顶板巷道，通过优化大巷保护煤柱尺寸（降低两翼工作面采动力源），能够从一定程度上降低强采动应力对大巷的影响，但是巷道仍不可避免要受到大埋深、高构造应力以及采动影响叠加作用形成的高应力环境影响。

由于大巷为典型的复合软岩顶底板，围岩强度低，承载能力差，各岩层层理弱面极易受高应力作用发生剪切滑移破坏，此时不论采取何种支护方式，高应力环境都不可避免会超过大巷围岩强度或者层理面抗剪强度，即大巷围岩初期的破坏不可避免。

2 围岩稳定性控制原理

2.1 “先释后控-抗剪阻胀”控制理念

围岩控制的一般方法是通过锚杆（索）等主动支护，扩大承载圈半径，使围岩“自稳”。不论采取何种支护都无法阻止围岩初期剪切破坏，只能后续补强。基于此提出“先释后控”围岩控制思路，“释”指的是允许围岩初期破裂，释放应力；“控”指的是对破裂后围岩及时补强控制围岩变形发展。“抗剪阻胀”核心理念主要包括2方面：一是强力抗剪切支护结构阻止破裂围岩滑移错动和扩容；二是原位改性调控破裂围岩强度与锚固性能。

目前技术和经济上可行的方法主要是“锚注支护”技术，其策略是：巷道开挖后立即采用一次高强支护降低巷道初期变形；当巷道初期剪切破坏完成后，采用二次支护与注浆加固技术强化破裂围岩，确保围岩稳定性。下面简要分析“锚注支护”技术的主要作用机理。

2.2 高强锚杆（索）支护作用机理

锚杆（索）支护对围岩结构面的本质作用在于通过杆体径向抗拉和切向抗剪，对结构面离层与滑动起到有效阻止作用，缓解围岩内部新裂纹产生，避免围岩产生较大变形破坏，如图1所示。锚索支护的基本原理是悬吊作用，将浅部易垮落围岩应力传递至深部稳定层，扩大围岩承载圈，如图2所示。锚杆与锚索预应力在围岩中的扩散，从而显著的改善巷道支护效果。

 

图1  大巷围岩锚杆支护力学作用模式

 

图2  巷道顶板主动支护作用力学机制

2.3 注浆改性作用机理

对围岩进行注浆改性，可大大提高围岩强度（黏结力和内摩擦角），增强围岩自承载能力。软弱破碎围岩注浆重构改性后围岩完整性及强度的提高，不仅提高了巷道围岩的承载效果，还将大大提升锚杆（索）支护的效果，实现锚注协同，因此注浆重构改性技术对于软弱破碎巷道围岩稳定性控制具有重要意义。为分析注浆重构改性支护效果，设注浆前后岩体粘结力和内摩擦角分表为C、ϕ与C′、ϕ′，分别增加了ΔC和Δϕ，则有：

  （1）

  （2）

于是：

  （3）

则：

  （4）

同理有：

（5）

则，由于注浆加固围岩承载能力的增加值为：

  （6）

其中：Δσ₁=σ′₁−σ₁，t为加固拱厚度。

注浆同时也可为加固范围外的围岩体提供高抗力的结构性约束，作用机理如图3所示：

 

图3  注浆原位改性重构破裂围岩承载体系的作用机理

（1）改善破裂岩体物理力学状态

浆液充填和封堵围岩裂隙可减轻围岩风化，防止围岩被水浸湿而软化；注浆使破裂岩体胶结成整体，其承载性能显著提高。

（2）提高多层组合拱结构的可靠性与承载能力

注浆加固形成多层组合拱由喷网组合拱，锚杆将多层组合拱连成一个整体，实现共同承载，扩大了支护承载范围。

（3）高约束阻止深部围岩塑性区发展

破裂岩体加固后转化为理想弹塑性体，承载能力显著提高，随围岩变形的增加，引起加固体内应力提高，形成对深部破裂岩体的有效约束。

2.5 顶-帮、底-帮整体滑移控制机理

帮和顶底板是相互作用、影响的统一体，加强顶-帮、底-帮支护能改善围岩整体的稳定性。具体来讲，大巷肩角、底角一般为三向受压稳定区，可利用肩角、底角稳定区岩石作为深层锚固区域，通过斜锚索梁建立“帮-顶”与“帮-底”整体承载结构（如图4所示），提高煤层-顶底板岩层界面间的抗剪强度，提升巷道围岩控制效果。

 

图4  基于肩角、底角稳定锚固区抗剪约束承载作用机理

 

3 开拓大巷围岩控制策略

 

针对山西焦煤正兴煤业矿井开拓大巷及硐室围岩变形破坏特点以及围岩控制难点，考虑到现有的常规支护方式的技术局限性，基于上述提出的高应力环境下大巷围岩“先释后控-抗剪阻胀”控制原理，经研究决定采用“优先控制采动应力环境+一次主动及时强力约束支护控制初期变形破坏+二次注浆加固保障围岩后期稳定”的综合控制策略，总体思路如下：

（1）优先控制采动应力环境（降低远场采动力源）

山西焦煤正兴煤业矿井原设计的回采工作面与开拓大巷之间留设保安煤柱尺寸为30m，导致三条大巷及硐室受到两翼工作面回采的超前采动应力叠加作用影响，处于强采动应力环境，煤柱上最大垂直应力为原岩应力3.06倍，超前采动应力的影响剧烈。为降低两翼工作面超前采动影响，可采用“增大三条大巷的保护煤柱尺寸”或者采用“顶板弱化转移采动应力”等两种方案来降低超前采动应力影响：

①方案一：增大三条大巷的保护煤柱尺寸。图5为数值模拟获得的山西焦煤正兴煤业矿井典型回采工作面周围垂直应力三维分布云图，可以看到在回采工作面前方50m范围之外采动应力集中系数已降低至k=1～2。因此，选择通过增加大巷的保护煤柱尺寸来降低采动影响时，建议大巷保护煤柱应不小于50m。

②方案二：顶板弱化转移采动应力。通过切顶等方式在回采工作面与大巷之间顶板中形成人工裂隙网络，弱化工作面顶板，减少或阻断采动应力传递路径，来实现采动应力向远离“围岩”方向转移和降低围岩采动力源烈度的目的，从而保障大巷处于良好的应力环境。结合山西焦煤正兴煤业矿井井下的实际情况，可行的采动应力转移技术方案主要包括如下三种：

①预掘工作面回撤通道，利用回撤通道进行切顶卸压，阻止采动应力向大巷传递。

②利用工作面两侧顺槽，向保护煤柱上方顶板中打超长钻孔进行水力压裂或爆破弱化，阻断采动应力传递路径。

③利用大巷，向保护煤柱上方顶板打长钻孔进行水力压裂或爆破弱化，阻断采动应力传递路径。

上述技术方案须结合现场具体施工条件选择，具体的技术方案另外研究制定。

 

图5  典型回采工作面周围三维垂直应力分布图

（2）一次主动及时强力约束支护控制初期变形破坏（释放围岩近场应力）

巷道掘出后必须立即加强支护强度，可采用“高强高预应力锚杆+菱形金属网/钢筋网+W钢带/M型钢带+大直径锚索”为核心的强力主动约束支护提高围岩自承载能力，最大程度降低巷道初期变形速率并保持巷道周边围岩的整体性，缓慢释放近场围岩应力，使围岩最大限度的发挥塑性区承载能力而又不松动破坏。

（3）二次滞后高性能注浆介入改性强化支护（重构围岩再承载体系）

巷道掘出后，在合适的注浆时机（滞后相邻回采工作面）对大巷破裂围岩进行高性能浆材注浆修复改性强化，重构破裂围岩力学性能与载荷传递能力，提高锚杆锚索锚固力，确保在围岩中形成一个有效的承载拱受力结构，以遏制围岩裂隙向深部扩展，保障巷道服务期内围岩的总变形量控制在允许范围。

上述提出的山西焦煤正兴煤业矿井开拓大巷围岩稳定性控制策略在现场实施过程中，可根据大巷所受采动影响情况，考虑将大巷分为已受采动影响段围岩修复控制技术、后续将受采动影响段围岩补强控制技术两种类型进行针对性治理。

4 开拓大巷围岩控制新技术与新材料

4.1新型超高强抗弯剪注浆锚索支护技术

横、切向高应力作用下的锚索易出现扭曲失效现象，无法做到全长锚固，此外，锚索体抗弯剪能力较低，常用7股或19股钢绞线锚索有柔性特征。因此，增强锚索抗弯剪性能是当前煤矿巷道围岩控制中迫切需要解决的一个难题。

中国矿业大学研制了一种新型的超高强抗弯剪注浆锚索支护装置与支护方法，主要包括锚索体、配套的托盘和锁具、抗弯剪-注浆一体化装置等，如图6所示。其中，锚索可选择1×7或1×19股高强低松弛预应力钢绞线，树脂锚固长度1.5～2.0m，锚索托盘采用300×300×20mm高强托板及配套高强锁具。在锚索安装锁具与托盘前，在锚索外部套上抗弯剪-注浆一体化装置。

 

图6  新型抗弯剪注浆锚索结构示意图

抗弯剪-注浆一体化装置是抗弯剪注浆锚索核心装置，主要包括抗弯剪钢管、出浆孔、连接头、进浆管、密封圈等部分。其中，抗弯剪钢管采用无缝钢管制作，壁厚1.5mm，外径28mm，长度2.0～3.0m（根据实际需要确定），辊压螺纹，管壁上顺序钻有出浆孔。

抗弯剪钢管尾端焊接连接头，连接头上焊接进浆管，进浆管与外部注浆泵连接。为防止浆液从钻孔溢出，在抗弯剪钢管外表面以及连接头尾部分别设有密封圈。

注浆时，浆液流动过程为注浆泵→进浆管→连接头→抗弯剪钢管→出浆孔→锚索钻孔→围岩裂隙。注浆完成后，浆液浆使得锚索索体、抗弯剪钢管与围岩形成一个“索体-浆体-钢管-浆体-围岩”复合结构整体，具有良好的抗弯剪效果。

4.2 基于纳米改性的新型高性能水泥基注浆改性材料

中国矿业大学在多年注浆工程实践的基础上，采用超细粉磨生产加工的方式来制备无机高性能水泥浆液改性剂。主要化学成份为SiO₂和Al₂O₃，其可溶性硅及铝的含量不低于10%和8%。改性剂是采用机械研磨法生产加工，在粉碎的过程中颗粒与冲击板及颗粒间的碰撞能量大部分转化成颗粒的内能和表面能，致使颗粒比表面积和比表面能增大，其力学性能发生明显变化，使其强度、硬度、抗老化性、耐久性等性能指标成倍提高。

通过扫描隧道显微镜分析，可以发现该新型改性剂明显呈现出絮状和网状的准颗粒结构，如图7所示。颗粒尺寸小，约10±5nm，比表面积大，达到30%～40%的体积百分比。

 

图7  新型浆液改性剂的微观结构图

该新型改性剂对水泥浆液性能优化提升的原理主要表现为：

（1）提高浆液稳定性

新型改性剂具有特殊网状结构，内部充满孔径大小不等的空腔和孔道，具有较大开放性，掺入水泥后，表现出一定的亲水性，从而降低水泥浆液析水性。

（2）改善浆液流动性和渗透性

新型改性剂加入水泥浆液中，由于其布朗运动活泼，改变了水泥颗粒表面的电位、电荷，增大了颗粒的润湿角，使得水泥颗粒充分水化，形成以小颗粒或无颗粒溶液（真溶液），渗透能力可以达到化学浆液效果。

（3）提高浆液结石体强度

改性剂具有微充填效应，改善了水泥凝固的三维结构，改善水泥混凝土的堆积密度，既减表面水又减间隙水；同时改性剂中的活性氧化硅和活性氧化铝参与水泥胶凝材料水化和凝结硬化过程，能与水泥水化时析出的游离氢氧化钙Ca（OH）₂反应，生成水化硅酸钙及水化铝酸钙，促进水泥水化，增加了C-S-H凝胶的产物从而提高了水泥结石体强度。

为研究不同的新型无机水泥浆液改性剂掺量对水泥基浆液流变性能的影响，将新型浆液改性剂与普通水泥浆液流动性能对比，结果如表1所示：

表1  新型浆液改性剂对普通水泥浆液流动性能的影响测试结果

由表可知：

①改性剂用量由5%增加到7%时，水泥浆粘度先降后升，流动性先升后降；改性剂用量由7%增加到10%时，水泥浆的粘度逐渐降低，流动性逐渐升高，说明改性剂用量高于7%对水泥浆流动性的影响较显著且趋势稳定。

②内掺8%～10%时，水灰比0.5:1.0～0.6:1.0水泥浆的流动度与1:1水泥浆的流动度相当。因此，从水泥浆流动性角度考虑，浆液水灰比控制在0.5:1～0.6:1，改性剂用量为内掺8%～10%最佳，此时浆液具有高流动性，泵送性能好。

进一步，对内掺8%～10%时水灰比为0.5的水泥浆液结石率和强度力学性能进行了测试，如表2所示。

表2  新型浆液改性剂对普通水泥浆液强度性能的影响测试结果