動壓影響下留巷圍巖變形機理及注漿加固技術(shù)研究

藺康杰

（霍州煤電集團洪洞億隆煤業(yè)有限責任公司，山西 洪洞 041600）

0 引言

隨著礦井開采轉(zhuǎn)向深部，煤層賦存條件日趨復(fù)雜，高瓦斯礦井數(shù)量也不斷增加，為解決高瓦斯礦井的瓦斯抽采、通風(fēng)及運輸需求，工作面在進行設(shè)計時通常需布置多條巷道。多巷布置可有效提高瓦斯抽采效率，控制工作面瓦斯?jié)舛?，同時可將一側(cè)巷道保留為下一工作面服務(wù)。然而留巷不但會受到本工作面回采超前及滯后支承應(yīng)力的影響，同時會受到下一工作面回采超前動壓影響，巷道從掘成到廢棄需要服務(wù)兩個工作面，導(dǎo)致巷道服務(wù)年限長，維護困難。針對留巷的支護主要有兩類方法：一種是是分次支護，即掘巷階段采用普通錨桿（索）支護，在本工作面回采前或下工作面回采前對巷道進行二次加固；另一種是在掘巷階段即采用高強錨桿（索）加強巷道支護強度和剛度，使巷道滿足服務(wù)年限內(nèi)的使用要求。然而在現(xiàn)場實際應(yīng)用中，留巷在二次復(fù)用前仍會出現(xiàn)較大的破壞變形，無法滿足生產(chǎn)的需求。

1 工程背景

某礦5308綜采工作面采用雙巷道布置方式，工作面切眼長221m，走向長2748m，53082巷為上區(qū)段5306工作面回采巷道，通過留巷為5308工作面服務(wù)，成為其回風(fēng)巷，其采掘工程平面圖如圖1所示。同時53082巷需隨5308工作面回采而保留下來，以實現(xiàn)工作面偏“Y”型通風(fēng)的需求，因此該巷道受兩個工作面回采動壓影響。53082巷與上區(qū)段工作面5211巷間留設(shè)35m煤柱，與本工作面53083巷間同樣留設(shè)35m煤柱，53082巷沿煤層頂板布置，采用矩形斷面，巷道尺寸為：寬×高=4.5m×3.2m，5211巷和53083巷沿煤層底板布置，同樣采用矩形斷面，巷道尺寸為：寬×高=5.5m×3.8m。

圖1 采掘工程平面圖

該礦主采煤層為3#煤層，煤層均厚6.07m，平均傾角5°，煤層上覆頂板分別為均厚2.89m的灰黑色砂質(zhì)泥巖，均厚4.8m的淺灰色中粒砂巖，均厚12.2m的砂質(zhì)泥巖。砂質(zhì)泥巖直接頂?shù)膯屋S抗壓強度為35.9～65.8MPa，中粒砂巖老頂?shù)膯屋S抗壓強度為79.9～91.2MPa。頂板和兩幫煤體內(nèi)有地質(zhì)構(gòu)造存在，導(dǎo)致圍巖破碎，在回采動壓影響下，圍巖內(nèi)部裂隙向深部擴展，導(dǎo)致圍巖變形加劇。煤層底板向下分別為均厚5.83m的灰黑色砂質(zhì)泥巖，均厚2.9m的灰黑色泥巖，均厚13.42m的灰黑色砂質(zhì)泥巖，直接底和老底均以泥巖成分為主，其平均單軸抗壓強度為36.7MPa，由于底板巖層強度相對較低，巷道部分區(qū)域發(fā)生底鼓變形。

53082掘巷期間圍巖幾乎無變形，僅僅兩幫出現(xiàn)20mm左右的收斂量。在上區(qū)段5306工作面回采動壓影響下，巷道圍巖變形量開始增大，主要變形發(fā)生在工作面留巷后方400m范圍內(nèi)，巷道頂板下沉量為150mm，底鼓量達到1000mm以上，兩幫相對移近量為350mm，部分構(gòu)造區(qū)域，圍巖變形破壞更為嚴重，對巷道的正常使用產(chǎn)生影響。

2 動壓影響下留巷圍巖變形模擬

為研究53082巷在兩次回采動壓影響下巷道圍巖變形破壞機理，以工作面及巷道實際布置情況建立數(shù)值計算模型，5306和5308工作面寬度均按100m取，頂?shù)装甯魅?層巖層，最終建立的數(shù)值計算模型尺寸為：長×寬×高=400×100×70m。該礦進行過地應(yīng)力測試，水平應(yīng)力為主應(yīng)力，最大、最小水平主應(yīng)力分別為16.06MPa和12.18MPa，垂直應(yīng)力按9.4MPa取，數(shù)值計算中按上述參數(shù)選取，本構(gòu)模型為摩爾-庫倫模型。待初始應(yīng)力平衡后，對53082巷掘進過程、5306工作面回采、5308工作面回采期間巷道圍巖變形破壞及應(yīng)力場分布進行研究。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)按表1選取。

1）53082巷掘巷過程中圍巖變形分析。53082巷在掘巷后巷道周邊垂直應(yīng)力分布如圖2所示，掘巷后在巷道表面形成應(yīng)力降低區(qū)，距離頂?shù)装搴蛢蓭鸵欢ň嚯x產(chǎn)生應(yīng)力集中，該應(yīng)力分布與普通掘巷應(yīng)力分布相似，主要是各巷間煤柱寬度較大為35m，因此掘巷未導(dǎo)致煤柱內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中。

掘巷后圍巖塑性區(qū)分布如圖3所示，由圖可知，53082巷的底板范圍塑性區(qū)發(fā)育較大，而頂板區(qū)域較小，相比53083巷頂?shù)装逅苄詤^(qū)發(fā)育范圍均較大，5211巷頂?shù)装逅苄詤^(qū)發(fā)育均為最小。究其原因，53082巷為沿頂掘進巷道，砂質(zhì)泥巖頂板經(jīng)支護后變形量很小，底煤強度低因而發(fā)生較大塑性變形；53083巷和5211巷均為沿底掘進巷道，且53083巷道斷面積較大，因而圍巖塑性區(qū)分布最為明顯，巷道斷面較小的5211巷塑性區(qū)分布相對較小。

圖2 掘巷后巷道周邊垂直應(yīng)力分布

圖3 掘巷后巷道周邊塑性區(qū)分布

2）一次回采過程中巷道圍巖變形分析。在工作面一次回采期間，對工作面后方50m處進行切片處理，得到如圖4和圖5所示的應(yīng)力和塑性區(qū)分布圖，如圖4所示，5306工作面回采對離其較近的53082巷影響較大，在與5306工作面的煤柱間產(chǎn)生應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在鄰近工作面?zhèn)?，垂直?yīng)力峰值達到30MPa以上。同時由于5306工作面回采動壓影響，導(dǎo)致53082巷巷道周邊的塑性區(qū)進一步發(fā)育，尤其是底板和巷道右?guī)?，變形更為嚴重?/p>

圖4 一次回采期間巷道周邊垂直應(yīng)力分布

圖5 一次回采期間巷道周邊塑性區(qū)分布

3）二次回采過程中巷道圍巖變形分析。隨著5308工作面回采的進行，53082巷受到二次回采動壓影響，除與上區(qū)段工作面間煤柱內(nèi)部有應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)，與本工作面間煤柱內(nèi)部同樣產(chǎn)生應(yīng)力集中，兩側(cè)煤柱均在靠近工作面采空區(qū)側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力峰值，均超過30MPa，而53082巷在殘余支承壓力和超前支承壓力的相互影響下，巷道周邊呈現(xiàn)高應(yīng)力，但由于留設(shè)煤柱尺寸相對較寬，巷道總體受力情況良好。

圖6 二次回采期間巷道周邊垂直應(yīng)力分布

3 巷道圍巖控制技術(shù)

針對巷道失穩(wěn)變形特征及破壞機理，提出采用深淺孔注漿+注漿錨索聯(lián)合控制巷道圍巖變形技術(shù)。首先通過淺孔注漿將圍巖表面的節(jié)理、裂隙封閉，形成初次保護層；然后進行深孔注漿進一步將巖體加固，提高其完整性及強度；最后采用高預(yù)應(yīng)力注漿錨索對巷道進行整體加固，以實現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定。具體施工流程如下：

1）對巷道進行臥底噴漿處理，53082巷底鼓變形量普遍較大，最大處可達1300mm，通過綜掘機對巷道進行臥底，隨后補打幫錨桿，并對巷道表面進行噴漿，選用C20混凝土，噴層厚度為50mm，將圍巖封閉以保證注漿效果。

2）淺孔注漿材料選用水泥水玻璃溶液，水泥與水按1：1比例混合，按水泥重量的1/10添加XPM外加劑，水玻璃選用濃度為38～42Be，水泥漿液與水玻璃按1：0.4的體積比進行混合。對巷道頂板和兩幫分別進行淺部注漿，選用鉆孔參數(shù)為：Φ36mm×L2000mm，鉆孔按“二三二”五花布置，頂板鉆孔間距分1200mm和1400mm兩種，幫部鉆孔間距分1300mm和1500mm兩種，鉆孔排距為2000mm?？卓谔幝裨O(shè)800mm的長鋼質(zhì)注漿管，孔內(nèi)接1000mm的射漿管，進行孔內(nèi)全長注漿，注漿壓力按1～3MPa選。

3）深孔注漿所選用的注漿材料及配比與淺孔注漿時相同，鉆孔孔徑不變，巷幫孔深改為8000mm、頂板孔深改為6000mm，頂板及兩幫鉆孔布置間排距與淺孔注漿時相同，巷幫及頂板的射漿管長度分別改為7000mm和5000mm，注漿壓力增加到4～6MPa。

4）注漿錨索施工，頂板注漿錨索參數(shù)：Φ21.6mm×L7400mm，間排距為1760mm×1000mm，每根錨索配合使用2根中速錨固劑和1根快速錨固劑，施工完成后，預(yù)緊力達到250kN后進行注漿，注漿壓力為2～3MPa。巷幫注漿錨索參數(shù)：Φ21.6mm×L4300mm，間距有2350mm和1400mm兩種，底角錨索通過注漿的方式進行錨固，注漿長度2000mm，注漿量為5L；其余錨索與頂錨索施工方式相同。最終確定的支護方式如圖7所示。

圖7 支護方案

對巷道進行深淺孔注漿+注漿錨索聯(lián)合支護后，對其進行礦壓觀測，繪制如圖8所示的圍巖變形曲線，由圖8可知，受工作面動壓影響劇烈范圍為工作面前方30m范圍內(nèi)，且離工作面越近，圍巖變形量越大，當回采位置到達工作面時，巷道最終頂板下沉量為150mm、底鼓量為350mm、兩幫相對移近量為260mm，巷道圍巖變形量維持在可控范圍，滿足了回采使用要求。同時對注漿加固區(qū)域進行了鉆孔窺視，窺視結(jié)果表明，巷道圍巖6m范圍內(nèi)，圍巖裂隙基本被漿液所充填，巖層整體性良好。

圖8 加固后的巷道二次回采期間圍巖變形量

4 結(jié) 論

受二次采動影響巷道，一次錨桿（索）支護往往難以滿足巷道使用需求，往往需進行二次加固整修。深淺孔注漿加固可使圍巖完整性得到提高，輔以注漿錨索支護可更充分發(fā)揮圍巖的自承能力。工業(yè)性試驗結(jié)果表明，該種支護方式可有效控制巷道圍巖變形，效果良好。