二次擾動下大變形煤巷復合支護技術優化研究

薛彥平

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

我國煤炭生產主要是井工開采，開采過程中需要掘進大量巷道，井下巷道失穩變形已經成為制約煤礦安全高效生產的重要因素，因此，展開井巷支護技術的研究對煤礦的安全生產尤為重要[1，2]。然而，礦井開采條件千變萬化，圍巖性質、開拓方式也各不相同，這極大程度地增加了巷道支護難度。關于井巷支護技術的研究，國內外學者已經展開大量工作，形成了諸多支護理論[3-11]。同時，在實用技術方面我國學者也取得了大量研究成果，錢鳴高院士[12，13]通過對采場支架—圍巖關系的研究，建立采場圍巖整體結構與砌體梁力學模型；孫小巖等[14]對大斷面托頂煤巷道的破壞特征進行分析，提出了大斷面托頂煤巷道“全斷面控型易損部位強化控制技術”；李民族等[15]對支護材料、方法和支護參數進行了優化設計；王國法等[16]制定了“單架控制→組控制→群控制”三級協同控制策略和實現方法；張杰等[17]采取內部和外部支護相結合的措施來保證回撤通道圍巖的穩定性；張瑞等[18]開展了頂板水力壓裂應力轉移保護盤區大巷技術試驗，使盤區大巷變形得到有效控制；米萬升等[19]設計了錨桿(索)“預加載荷+承壓器分時散壓”的支護方案；吳擁政等[20]提出了深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協同防控技術，有效抵御了高動、靜疊加載荷，減小了巷道圍巖整體沖擊變形。綜合上述研究，為保證王坡煤礦安全、高效生產，選取王坡煤礦3209工作面回風巷為工程背景，對巷道支護失效、圍巖大變形問題展開分析，優化原有支護技術方案，設計優化支護技術參數，并開展現場應用。

1 工程概況

王坡煤礦3209工作面主采3#煤層，平均埋深450m，厚度5.97m，傾角6°。該工作面為半孤島工作面，與3207工作面采空區相鄰布置有回風巷和高抽巷，兩條巷道間煤柱寬度7m，回風巷與3207工作面采空區間煤柱寬度20m，如圖1所示。回風巷以錨網索支護為主，局部變形嚴重區域采用錨網索配合U型鋼棚組成的聯合支護，具體支護參數如圖2所示。受3207工作面回采形成側向支承壓力和高抽巷掘進擾動影響，回風巷圍巖礦壓顯現十分劇烈，巷道全斷面產生不同程度變形，錨桿、錨索由于變形破斷而失效，金屬網也出現網兜現象，頂板W鋼帶嚴重彎曲變形，甚至撕裂，少數錨索、托板被壓壞，已經嚴重威脅巷道安全穩定。礦方采用刷巷、起底后架設U型鋼棚的方式對巷道進行了大面積返修，但總體效果仍不理想。因此，為有效控制3209工作面回風巷圍巖大變形，確保礦井安全、高效生產，亟需對該巷原有支護技術方案進行優化研究。

圖1 3209工作面巷道布置

2 回風巷支護技術優化

2.1 優化支護技術方案

通常情況下，巷道圍巖控制可以采取棚式支架支護、錨桿、錨索支護和注漿加固等方法[21]。根據3209工作面回風巷圍巖變形破壞特征，加固工程應建立在以恢復圍巖內部結構完整性的基礎上，利用主動支護對巷道圍巖進行加固。以原有支護強度為前提，結合大量工程實踐資料，在能夠保證工程質量并最大程度減小工程量的前提下對原有支護技術方案進行優化，提出高壓注漿配合強力錨索支護的綜合支護技術方案。高壓注漿是對破壞巷道圍巖裂隙進行充填，把破碎圍巖進行重新組合，承載能力大幅提高。同時，恢復或構成相對完整的巖體結構，利于錨桿(索)加固的力傳遞，極大提高圍巖加固質量和效果。高壓注漿可使破碎圍巖基本恢復到連續狀態，但承載能力依然較低，必須對圍巖進行強化支護。錨索加固就是在破碎圍巖已經恢復連續性后，對其施加有力作用的邊界條件，使得注漿圍巖承載能力顯著增強，有效防止圍巖發生二次破壞，確保加固巷道圍巖的穩定性。綜上，鑒于3209工作面回風巷頂板圍巖裂隙發育、煤體破碎、兩幫移近量大等情況，經研究對巷道幫部和頂板進行注漿加固，巷道幫部輔以注漿錨索補強支護。巷道支護加固工藝為：水泥注漿→化學注漿→補強支護。

圖2 回風巷原支護技術方案(mm)

2.2 注漿加固技術

2.2.1 注漿參數計算方法

為確保注漿效果，便于注漿期間的工程量考核與管理，對每米巷道所需注漿量計算如下[22]：

Q=ρλβηL(2h+b)

(1)

式中，Q為每米注漿量，kg；ρ為漿體密度；λ為漿液損失系數，取1.5；β為漿液充填系數，取0.6；η為巷道圍巖裂隙率，取3%；L為注漿深度，m；h為斷面墻高，m；b為斷面頂板長，m。

為方便注漿施工，提升注漿質量，注漿管應長于注漿長度，注漿管長度按照式(2)計算：

l=l1+l2

(2)

式中，l為注漿管長度，mm；l1為下入長度，mm；l2為外露長度，mm。

根據現場巷道的實際變形情況，以4300mm×3000mm矩形斷面進行支護設計，結合式(1)和式(2)，對工藝流程中具體參數進行設計。

2.2.2 水泥淺孔注漿加固

1)注漿淺孔：3209工作面回風巷幫、頂圍巖水泥注漿淺孔沿巷道斷面成排方式布置，巷道幫頂注漿鉆孔呈五花狀布置，排距2000mm，幫部注漿孔間距1200mm或1300mm，頂板注漿孔間距1500mm。巷道斷面幫、頂部水泥注漿孔布置如圖3所示。

圖3 回風巷幫、頂水泥注漿淺孔布置(mm)

2)打孔角度：巷幫靠近頂底板注漿孔上仰或下扎5°～15°，其余鉆孔垂直兩幫；頂板靠近兩幫注漿鉆孔與垂直巷道頂板方向呈15°夾角，其它鉆孔垂直巷道頂板。打孔深度：3209工作面回風巷巷幫水泥注漿淺孔深度2500mm，頂板水泥注漿淺孔深度2500mm，注漿管外露長度為100mm，水泥注漿過程中注漿管總長度為2600mm。

3)打孔設備：利用ZYJ-270/180架柱式液壓回轉鉆機對巷道兩幫頂角、底角進行打孔，鉆頭直徑?42mm；利用ZQS-65/2.5防突鉆機對巷道兩幫其余垂直鉆孔進行打孔，鉆頭直徑?44mm；利用ZYJ-270/180架柱式液壓回轉鉆機對頂板進行打孔，鉆頭直徑?42mm。

4)注漿方式：注漿管埋設在孔口，孔內下射漿管，全長一次注漿。注漿材料：水泥漿、水泥水玻璃雙液漿。注漿壓力：孔口注漿壓力可以達到1～3MPa。

2.2.3 圍巖化學改性水泥漿加固

1)注漿孔布置：3209工作面回風巷巷幫圍巖化學改性水泥漿鉆孔沿巷道斷面成排布置，巷道幫部注漿鉆孔呈矩形布置方式，排距2000mm，間距2000mm，具體注漿孔布置如圖4所示。

圖4 回風巷化學改性水泥漿鉆孔布置(mm)

2)鉆孔深度：幫部化學改性水泥漿孔深度4000mm，注漿管外露長度為100mm，化學注漿過程中注漿管總長度為4100mm。鉆孔角度：巷幫靠近頂底板注漿孔上仰或下扎5°。

3)打孔設備：利用ZYJ-270/180架柱式液壓回轉鉆機對巷道兩幫頂角、底角進行打孔，鉆頭直徑?42mm。

4)注漿壓力：全長一次注漿，注漿終止壓力4～6MPa。

2.3 巷幫補強支護技術

化學注漿施工完畢，對巷道幫部進行預應力全長注漿錨索支護。巷道預應力注漿錨索布置情況如圖5所示，巷幫錨索沿巷道斷面成排、矩形排列，排距1500mm，間距2200mm，幫部鉆孔呈“二·一”布置。受到管路影響時，可根據現場施工條件進行適當調整。

圖5 回風巷幫部注漿錨索布置(mm)

錨索規格為?22-1×19-5300mm，其中，外露張拉段為300mm。錨索角度：幫錨索布置方式主要垂直巷幫。錨固方式：采用樹脂端部錨固方式，三支錨固劑，其中一支規格MSK2335，另兩支規格MSZ2360。樹脂錨固長度1970mm，其余部分采用水泥漿進行錨固。

打孔設備：利用ZQS-50/1.6錨桿鉆機打孔，鉆頭直徑?30mm，孔深5000±30mm。擴孔設備：利用ZYJ-270/180架柱式液壓回轉鉆機打擴孔，深度3000mm，鉆頭直徑?56mm。錨索安裝：錨索外端套裝有注漿一系列附件并推入至鉆孔中，安裝托板后引出注漿管，加裝球墊進行張拉預緊，如圖6所示。錨索預緊力不小于200kN。注漿材料為水泥漿。錨索孔終止壓力為2～3MPa。

圖6 注漿錨索安裝

3 優化支護效果現場檢驗

礦方采用優化支護技術方案對3209工作面回風巷進行現場工程應用，并通過巷道圍巖窺視和變形觀測兩種方式，檢驗優化支護技術方案對巷道圍巖變形的控制效果。

3.1 巷道圍巖窺視

采用鉆孔窺視儀窺視優化支護巷道圍巖情況，選取3209回風巷1750m處已注漿位置與3209回風巷1850m處未注漿位置分別對西幫、東幫和頂板進行窺視分析，由窺視結果可知：

1)3209回風巷1850m處巷道兩幫均出現了塌孔，西幫煤體內0～0.4m較為破碎，0.8～2.0m范圍內圖像模糊，為窺視時煤泥大量涌起所致，主要原因是煤幫破碎，煤粉較多，遇水形成煤泥，鉆孔2.0m后塌孔，煤體內部較為破碎；巷道東幫煤體破碎，打孔后內部出現塌孔，0～0.2m、0.5～1.0m、1.1～1.4m范圍內較為破碎，1.5～2.0m內涌起大量煤泥，2.0m后塌孔，煤體破壞范圍應較深。該段范圍內頂部0.4～0.8m、0.9～1.1m、2.2～3.4m、2.6～2.8m范圍內有破碎、裂隙帶，其余地段圍巖完整，說明頂板圍巖破壞集中在0～4m范圍內。

2)3209回風巷1750m處巷道西幫煤體內1.0～1.4m、1.9～2.5m、2.8～3.2m范圍內可見水泥漿液，注漿孔壁較為完整；2.6～2.7m范圍內有輕微破碎，沒有離層區。巷道東幫煤體0.4～1.3m、1.4～2.2m、2.7～2.8m、3.1～3.5m范圍內可見水泥漿液，注漿后注漿孔壁比較完整。該段范圍內頂板0～2.2m范圍內可見水泥漿液，整體圍巖完整，無破碎區。

通過上述分析發現優化支護巷道兩幫煤體打鉆施工均比較正常，未出現塌孔現象，注漿后水泥漿液進入煤幫裂隙，形成厚度不同、包容巖塊大小和數量也不相同的結石體，可以充分充填、嵌入到破碎圍巖裂隙中，使破碎圍巖裂隙不斷減少直到消失，依靠自身固化后形成的相對較高的抗壓強度和完整性，可以有效阻止圍巖擴容性破壞進一步向深部發展。同時，還可以很好地恢復圍巖完整性。

3.2 巷道圍巖變形觀測

在3209工作面回風巷掘進面布置4個兩幫相對移近量測站和3個頂板離層測站，觀測結果如圖7所示。由圖7可知，自8月7日至8月25日，4個兩幫相對移近量觀測結果最大值為54mm，3個頂板離層觀測結果最大為19mm，圍巖變形與頂板下沉距離較小，說明注漿后的巷道圍巖整體完整，沒有破碎離層區。通過斷面窺視和圍巖變形分析發現優化的支護技術方案護巷效果顯著，能夠有效控制巷道圍巖大變形，保障礦井安全、高效生產。

圖7 巷道圍巖變形觀測結果

4 結 論

1)鑒于3209工作面回風巷受3207工作面回采形成側向支承壓力和臨近高抽巷掘進擾動影響，礦壓顯現劇烈，巷道圍巖變形嚴重，現有支護難以有效控制圍巖大變形。

2)綜合現有支護技術，提出高壓注漿配合強力錨索支護的綜合加固優化支護技術方案，即3209工作面回風巷幫、頂水泥注漿加固后再進行化學注漿加固，最后施工注漿錨索補強支護。

3)通過巷道圍巖窺視和變形觀測，優化支護巷道圍巖整體完整，破碎離層區較小。優化支護巷道兩幫相對移近量最大值為54mm，頂板離層最大值為19mm，較原支護巷道圍巖變形量下降顯著。