遺留煤柱下巷道交叉口加固支護方案優(yōu)化

商永立

（晉城煤業(yè)集團寺河二號井，山西 晉城 048000）

寺河礦二號井15#煤巷道交叉口的巷道斷面大，由于巷道的交叉擴大了圍巖擾動的影響范圍，導致交叉段巷道的頂、底板安全系數(shù)都比較低。原有支護巷道在使用期間變形較大，多次進行巷修，嚴重影響正常生產(chǎn)。

151307、151308 綜采工作面采用一進兩回“U”型通風系統(tǒng)，設計走向長度為750 m，傾向長度為180 m，煤柱間距為40 m，設計停采線50 m，兩順槽分別與三條盤區(qū)大巷形成交叉點。為了保障工作面回采后的盤區(qū)大巷正常使用，提出寺河煤礦二號井15 號煤巷道交叉點支護優(yōu)化技術(shù)研究課題。

1 交叉巷道圍巖受力與破壞特征分析

圍巖三角區(qū)端部的應力集中系數(shù)最高，此處圍巖的應力最大，當交叉巷道圍巖的集中應力超過圍巖的承載極限時，巷道圍巖發(fā)生塑性破壞。所以，當圍巖出現(xiàn)塑性屈服破壞時，破壞將首先出現(xiàn)在三角區(qū)的端部位置，破碎帶內(nèi)圍巖的承載能力降低，導致應力集中區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，同時圍巖破碎區(qū)也開始增大并向圍巖深部發(fā)展。以此循環(huán)，破壞逐漸加深，直至圍巖內(nèi)應力重新達到平衡狀態(tài)[1-3]。

由圖1 可以看出，同一巷道交叉部分兩側(cè)的破壞增大范圍呈現(xiàn)為圓弧狀，兩者角度互補。三角區(qū)呈銳角的區(qū)域內(nèi)圍巖的破壞深度要大于鈍角區(qū)內(nèi)圍巖的破壞深度，呈銳角的一側(cè)巷道破壞的深度更大，由圖1 中的Δr 表示，呈鈍角較大的一側(cè)交叉部分的破壞深度較小，由ΔR 表示。

C1和C2為影響范圍外巷道兩幫破壞深度[4-5]。根據(jù)上述特征可知，巷道交叉處的應力集中系數(shù)不同，巷道破壞深度越大，該處的應力集中系數(shù)越高，與巷道交叉的角度有關，呈銳角側(cè)的應力集中系數(shù)大于呈鈍角處的應力集中系數(shù)。

2 巷道交叉口注漿加固與錨索補強設計方案

2.1 現(xiàn)有支護狀況及評價

寺河礦二號井的3#煤層、9#煤層、15#煤層同時開采，其中3#煤層與9#煤層的層距為58 m，9#煤與15#煤層間距是28 m。3#煤層與9#煤層率先回采結(jié)束，開采兩層煤時遺留的煤柱，受到應力集中影響，并且應力向下傳遞，對15#煤層工作面的巷道帶來劇烈的影響。對于永久使用的巷道，如西膠帶運輸巷、1303 工作面的1102 巷以及1101 巷道的圍巖自身由于在巷道交叉的部位，已經(jīng)發(fā)生了不同程度的變形，經(jīng)常需要翻修。尤其是1102 巷，作為主要的回風巷，底鼓最大可達1100 mm，兩幫移近量最大可達700 mm，嚴重制約了安全生產(chǎn)。1101 輔助運輸巷的最大底鼓量為500 mm，工作面正常運輸受到制約，而西膠帶運輸大巷的不同部位均有底鼓和巷道兩幫噴漿層片幫的情況。根據(jù)上述巷道的破壞情況可知，現(xiàn)有的幾條巷道的支護存在以下幾方面不足：

（1）在現(xiàn)有的巷道交叉點支護狀況下，受工作面回采動壓影響，巷道頂板下沉量、底板鼓起量、兩幫收縮均比較嚴重，影響正常生產(chǎn)使用。

（2）在煤巷交叉點不同的位置進行鉆孔窺視，觀察工作面動壓影響后煤體中裂隙情況，為注漿加固方案提出參考。

（3）應該根據(jù)不同的情況對比不同時期煤體中裂隙狀況，選擇合適的注漿加固時機，進行巷道注漿加固。

圖1 交叉部位壓碎區(qū)破壞形狀

2.2 巷道兩幫注漿加固及錨索補強

根據(jù)巷道變形情況，治理方案主要在兩幫注漿加固以及巷道錨桿索補強等方面。注漿加固能夠有效提高巷道圍巖的完整性，使應力集中的破壞區(qū)域膠結(jié)，進而提高其承載能力，而錨索能有效控制淺部圍巖的變形。

以1102 巷為例，巷道兩幫的注漿鉆孔如圖2 布置。鉆孔整體呈三花眼布置，巷道高2.6 m，上排鉆孔距離頂板0.8 m，下排鉆孔距離底板0.8 m，上排鉆孔與下排鉆孔的排距為2 m，每排鉆孔的間距為6 m。實際施工中，鉆孔可以根據(jù)原巷道錨桿的位置適當調(diào)節(jié)，避免影響原有的支護。

圖2 注漿鉆孔和補強錨索布置圖

注漿孔徑42 mm，孔深8.0 m，注漿鋼管長度為6.0 m，采用3 節(jié)2 m 長的DN14 鋼管連接。第一節(jié)為封孔管，鋼管兩端板牙機車絲，絲長10～15 mm，兩端各留200 mm，其余部分1600 mm 焊接鐵絲；第二、三節(jié)為射漿管，鋼管兩端板牙機車絲，絲長10～15 mm，其余部分加工射漿孔Φ8 mm，十字開孔，孔間距200 mm。

為了使注漿材料充分與兩幫圍巖膠結(jié)，兩幫錨索補強計劃在注漿后3 d 實施。錨索選用長8 m、直徑Φ22 mm 的高強度錨索，孔深設計在7900 mm 左右，預緊力高于250 kN。錨索設計與注漿鉆孔布置在同一水平，在注漿鉆孔中間均勻布置，錨索間距設計為2 m。上下兩排錨索的布置方式相同。

注漿封孔的好壞影響著注漿的效果。由于巷幫2.5 m 以內(nèi)的圍巖完全破壞，在注漿過程中往往漏漿嚴重，影響注漿的開展。因此，應該適當加長封孔的長度，設計為1.5 m。封孔工藝如圖3 所示。在封孔段的兩端各25 cm 部分纏繞棉紗，中間漿液部分約1000 mm，注漿管上部插入封孔注漿管，封孔段注滿后，待漿液固結(jié)15 min 后，繼續(xù)注漿。

圖3 注漿封孔方法示意圖

2.3 巷道底角錨注方案設計

根據(jù)巷道的變形量監(jiān)測可知，巷道的底鼓嚴重，故而對于巷道底角也設計了注漿加固以及錨桿補強的方案。

注漿鉆孔布置在交叉點煤巷兩幫的底角，如果施工不便可以適當調(diào)整鉆孔的位置，但需要選擇離底角最近的位置。注漿孔布置如圖4 所示。

鉆孔深度設計為4000 mm，角度約為45°，鉆孔的間距為2 m。注漿錨桿選用型號為Φ32×6（錨桿直徑32 mm，錨桿壁厚6 mm），錨桿長度為4 m。前端2 m 長部分為封孔部分，后端2 m 為注漿段。注漿加固的材料與兩幫注漿加固的設備以及材料一致。由于底部的注漿孔深度僅為4 m，故而減少封孔長度至1 m，在施工過程中漏漿，適當?shù)卦鲩L為1.5 m。

圖4 巷底角錨桿布置圖

2.4 注漿材料及封孔技術(shù)分析

新型無機雙液注漿材料具備凝結(jié)速度快、早期強度高等特性，可注性強，注漿效果與有機高分子化學漿相似。材料分為A、B 兩種組分，材料加水后的單液性能穩(wěn)定，6 h 內(nèi)不發(fā)生固結(jié)、泌水或者產(chǎn)生沉淀。A、B 單種漿液混合后，材料迅速反應，并且在3～5 min 內(nèi)膠結(jié)。材料初期強度增長迅速，2 h材料強度可增大至最終強度的50%以上，特別適用于需要快速注漿加固的淺層注漿工程。

根據(jù)實際地質(zhì)條件，本次注漿加固水灰比為1.0:1，5 min 內(nèi)失去流動性，3 d 強度為10 MPa，7 d 強度為15 MPa。當發(fā)生漏漿時，用0.8:1 的水灰比進行注漿。鑒于巷道交叉區(qū)域應力集中，圍巖破碎，故而注漿壓力不能過大，因此注漿壓力設定為3～5 MPa。

3 巷道交叉口圍巖參數(shù)優(yōu)化效果分析

通過采用鉆孔窺視對比巷道交叉口圍巖注漿加固前后巷道圍巖情況，分別在距離注漿鉆孔1.8 m、2.5 m、3.5 m 處各打了一個8 m 深窺視孔。

由圖5（a）可知，巷道交叉口處煤體破碎，裂隙縱橫交錯，發(fā)育程度高，有明顯的分層，巷幫圍巖的整體性較差。注漿完成后，如圖5（b）可知，漿液完全充填了巷幫煤體的裂隙，孔壁完整光滑，漿液固結(jié)狀況良好，煤體沒有明顯的裂隙。

圖5 鉆孔窺視結(jié)果

巷道兩幫錨索補強后，在工作面推進過程中，巷道兩幫移近量明顯減小，最大變形為280 mm。交叉口進行底角錨注后，巷道的底鼓量明顯減小，范圍內(nèi)的最大底鼓量為320 mm。巷道完整性顯著提高，巷道圍巖變形量小。

4 結(jié)論

（1）通過交叉巷道圍巖受力以及變形特征分析可知，三角區(qū)角度越小，三角區(qū)圍巖在開挖后應力集中系數(shù)值就越大，三角區(qū)圍巖發(fā)生塑性破壞的可能性就越大。

（2）通過現(xiàn)有巷道支護進行觀測可知，在原有支護條件下，主要巷道的圍巖變形量大，原支護手段不能有效控制圍巖變形，提出巷道錨索補強與注漿加固的聯(lián)合優(yōu)化支護方案。

（3）根據(jù)實際地質(zhì)條件，設計并施工錨索補強以及交叉口巷幫圍巖淺孔注漿加固方案。注漿完成后，通過鉆孔窺視可知，注漿材料與巷幫破碎圍巖膠結(jié)良好，巷道圍巖的完整性顯著提高。