煤礦突水后巷道支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果

張津裕

（南煤集團(tuán)南莊分公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

目前，關(guān)于煤礦工作面巷道支護(hù)方面的研究非常多[1-2]。但是關(guān)于出現(xiàn)突水涌水后的支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)相關(guān)技術(shù)卻鮮有資料可查[3-4]。因此，為了提升突水涌水防治效果，確保煤礦工作面的安全，有必要對(duì)工作面巷道出現(xiàn)突水涌水后的支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行分析和研究[5-6]。本文對(duì)某煤礦掘進(jìn)工作面巷道支護(hù)方案存在的缺陷導(dǎo)致的突水問(wèn)題進(jìn)行了研究，在原有巷道支護(hù)方案的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，為煤礦安全提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

1 煤礦工作面及原巷道支護(hù)方案介紹

1.1 煤礦工作面簡(jiǎn)介

某煤礦煤層的埋深在290～324 m 范圍內(nèi)，平均埋深為300 m 左右。掘進(jìn)工作面厚度范圍為2.34～3.89 m，平均煤層厚度為3.21 m，整個(gè)煤層傾角不超過(guò)1°。掘進(jìn)工作面巷道斷面形狀為矩形，其寬度和高度分別為5 m 和3.5 m，整個(gè)掘進(jìn)巷道的斷面面積為17.5 m2。巷道圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角分為2 MPa 和4°。

1.2 原巷道支護(hù)方案

原掘進(jìn)工作面巷道支護(hù)采用的是錨桿支護(hù)方案。其中頂板采用的錨桿為左旋螺紋鋼錨桿，直徑和長(zhǎng)度分別為20 mm 和2.2 m，錨桿之間的間距以及排距均為0.8 m，與兩側(cè)幫部位置接近的錨桿與巷道中垂線成20°角進(jìn)行安裝。開(kāi)采幫采用的錨桿為玻璃鋼錨桿，錨桿規(guī)格以及間距、排距與頂板完全相同，配合使用樹(shù)脂網(wǎng)。對(duì)于非開(kāi)采幫，錨桿采用的是螺紋鋼錨桿，其直徑和長(zhǎng)度分別為20 mm 和2.2 m。兩幫靠近頂板的錨桿同垂線成20°角進(jìn)行安裝，靠近底板的錨桿與水平線成10°角進(jìn)行安裝。其他頂板和兩幫的錨桿全部進(jìn)行垂直安裝。使用鋼絲網(wǎng)片，使用的錨索規(guī)格尺寸為直徑15.3 mm，長(zhǎng)度7.3 m。

2 煤礦突水后巷道支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)方案的設(shè)計(jì)

2.1 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案的設(shè)計(jì)

原巷道支護(hù)方案由于不滿足實(shí)際使用需要，導(dǎo)致工作面巷道出現(xiàn)了突水問(wèn)題。必須對(duì)煤礦巷道支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，避免突水對(duì)工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程造成不利影響，影響采煤效率。基于已有的理論成果以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重新設(shè)計(jì)研究了補(bǔ)強(qiáng)巷道支護(hù)方案。如圖1 所示為優(yōu)化后的掘進(jìn)工作面巷道支護(hù)斷面圖。需要說(shuō)明的是，圖中黑色部分為原支護(hù)方案，灰色部分為補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

圖1 優(yōu)化后的掘進(jìn)工作面巷道支護(hù)斷面圖（單位：mm）

在原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，在頂板每排多增加設(shè)置2 根錨桿，錨桿使用的是左旋螺紋鋼錨桿，直徑和長(zhǎng)度分別為20 mm 和2.4 m。增加設(shè)置的錨桿間距和排距分別為3 m 和1 m，安裝時(shí)施加50 kN 的預(yù)緊力。兩幫部位同樣每排增加設(shè)置2 根錨桿，直徑和長(zhǎng)度分別為20 mm 和2.4 m，錨桿間距和排距分別為2 m和1 m，安裝時(shí)施加20 kN 的預(yù)緊力。在巷道中線位置增加設(shè)置1 根錨索，錨索為鋼絞繩，直徑和長(zhǎng)度分別為15.24 mm 和7.6 m，錨固長(zhǎng)度1.8 m。沿著巷道方向，增加設(shè)置的錨索排距為3 m，安裝時(shí)施加120 kN 的預(yù)緊力。

2.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果模擬分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案的實(shí)際效果，利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)該方案進(jìn)行了模擬分析。另外，為了與原巷道支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)模擬分析了原巷道支護(hù)方案的情況。利用軟件建立好有限元模型后進(jìn)行計(jì)算分析，然后對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行提取。主要研究對(duì)比在2 種巷道支護(hù)方案作用下，巷道圍巖在垂直方向和水平方向上的位移變形情況。如圖2 所示為補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案圍巖在水平和垂直方向上的變形情況。

圖2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案圍巖在水平和垂直方向上的變形（m）情況

從圖2 中可以看出，在巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案作用下，圍巖在水平方向上的變形最大值為4.15 mm，而原支護(hù)方案對(duì)應(yīng)的數(shù)值為5.36 mm。對(duì)比兩種情況可以發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案能夠更好地控制圍巖在水平方向上的變形。在垂直方向上，在巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案的作用下，巷道變形最大值為17.73 mm，而原支護(hù)方案對(duì)應(yīng)的數(shù)值為19.92 mm。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案同樣能在一定程度上縮小圍巖在垂直方向的變形。

基于上述的有限元模擬分析結(jié)果可以看出，對(duì)掘進(jìn)工作面巷道原支護(hù)方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理后，巷道圍巖的變形情況得到了一定程度改善。說(shuō)明提出的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案是合理的，能夠應(yīng)用到實(shí)際中，以提升掘進(jìn)工作面巷道的安全性。

3 補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中巷道錨桿注漿加固技術(shù)分析

掘進(jìn)工作面圍巖出現(xiàn)突水問(wèn)題，說(shuō)明圍巖內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了一定程度的破壞，裂隙發(fā)育充分使圍巖強(qiáng)度顯著降低，巷道穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。因此，有必要采取錨注加固技術(shù)措施對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加固處理，以提升巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3.1 錨桿注漿加固作用原理分析

當(dāng)巷道圍巖結(jié)構(gòu)比較松散破碎時(shí)，錨桿和錨索受力將會(huì)呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，在一定程度上影響錨桿和錨索性能的發(fā)揮。通過(guò)錨柱加固技術(shù)能夠有效改善圍巖松散結(jié)構(gòu)特征，提升其整體的凝聚力和強(qiáng)度。錨注加固技術(shù)的強(qiáng)化原理可以從下述的幾個(gè)方面進(jìn)行闡述：

第一，當(dāng)巷道圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育較完全時(shí)，結(jié)構(gòu)面會(huì)影響圍巖強(qiáng)度及其變形情況。結(jié)構(gòu)面剛度和強(qiáng)度一般很低，特別容易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的問(wèn)題，使得圍巖整體結(jié)構(gòu)顯著降低，導(dǎo)致巷道出現(xiàn)變形問(wèn)題。通過(guò)錨固注漿處理能夠顯著提升結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)相互錯(cuò)位問(wèn)題，進(jìn)而提升巷道穩(wěn)定性。

第二，進(jìn)行錨注加固施工時(shí)，需要利用泵將漿液注入到巷道圍巖內(nèi)部。漿液在泵的壓力作用下，會(huì)沿著巷道圍巖的縫隙進(jìn)行滲透，達(dá)到提升圍巖強(qiáng)度的效果。此外，對(duì)于一些無(wú)法充填的縫隙，也能夠進(jìn)行擠壓閉合，這樣能夠降低圍巖的孔隙率，有效阻擋水的滲透。同時(shí)還能夠改善圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，提升強(qiáng)度。

第三，對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)突水或涌水的巷道圍巖，通過(guò)錨桿注漿加固技術(shù)，能夠?qū)ν凰陀克耐ǖ肋M(jìn)行封堵，避免再次出現(xiàn)突水涌水問(wèn)題。

3.2 錨桿注漿加固主要技術(shù)參數(shù)的確定

1）注漿壓力。注漿壓力是開(kāi)展錨桿注漿加固施工的重要參數(shù)，會(huì)對(duì)施工效果產(chǎn)生決定性影響。影響施工注漿壓力選擇的因素是多方面的，其中最重要的因素就是圍巖性質(zhì)。充分結(jié)合圍巖實(shí)際情況，本方案中最終確定的注漿壓力范圍為2～2.5 MPa。

2）擴(kuò)散半徑。擴(kuò)散半徑指的是從注漿孔注入的漿液能夠擴(kuò)散的距離。擴(kuò)散半徑對(duì)施工效果同樣有非常重要的影響。注漿孔數(shù)量通常是根據(jù)擴(kuò)散半徑大小進(jìn)行選擇的。對(duì)于一般性質(zhì)的圍巖其擴(kuò)散半徑通常為2～3 m。

3）凝固時(shí)間。凝固時(shí)間與漿液自身屬性存在直接關(guān)系。可以向漿液中添加化學(xué)試劑以改變漿液凝固時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，漿液凝固時(shí)間還會(huì)受到周圍環(huán)境因素的影響，比如溫度的影響。因此，具體凝固時(shí)間需要充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)確定，通常都是在幾小時(shí)左右。

4 巷道支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)實(shí)踐效果分析

對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)突水問(wèn)題的掘進(jìn)工作面巷道，在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。主要從兩方面著手開(kāi)展補(bǔ)強(qiáng)工作。第一，增加設(shè)置錨桿和錨索，提升巷道錨固支護(hù)效果。第二，進(jìn)行錨桿注漿加固處理，向圍巖內(nèi)部注入漿液，提升圍巖自身強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)突水縫隙進(jìn)行封堵，避免再次出現(xiàn)突水問(wèn)題。將上述掘進(jìn)工作面巷道支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)方案應(yīng)用到工程實(shí)踐中，取得了非常好的應(yīng)用效果。巷道變形量得到很大程度降低，且在后續(xù)掘進(jìn)施工過(guò)程中沒(méi)有再出現(xiàn)巷道突水問(wèn)題。通過(guò)對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，顯著提升了支護(hù)效果，保障了圍巖的穩(wěn)定性。為采煤工作效率的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。