回采巷道松軟破碎圍巖注漿加固與支護技術研究

王 洋

（山西焦煤集團有限責任公司官地煤礦， 山西 太原 030053）

引言

二次回采擾動是指在上區段回采期間，巷道受到上區段回采的影響產生的側向支撐壓力，造成巷道軟弱巖層發生裂隙的擴展，致使巷道穩定性下降，巷道失穩。而在本區段開采時，巷道受到超前支撐壓力使得在巷道受到上區段回采的一次擾動下出現二次擾動影響，造成圍巖進一步破碎、松動，此時如果不及時對圍巖進行加固，圍巖將會發生嚴重的破壞，造成圍巖支護成本急劇增加[1-2]。為了改善巷道的應力環境，對巷道進行及時的加固十分重要。目前加固措施的原理是利用外界加固技術對圍巖進行加固，但當圍巖變形較大時，此時錨固作用效果不佳，造成支護效果較弱，所以在進行支護前需要對巷道進行注漿加固，從根本上解決圍巖自身強度弱、完整性差的問題[3-4]。

1 數值模擬分析

官地礦坐落于呂梁山脈中麓，距離太原市以西20 km 的西山煤田中部，北通西銘（礦），西鄰東曲（礦），南接官地（礦）、白家莊（礦），1956 年建礦，隸屬山西焦煤西山煤電集團公司。官地礦井田面積63.1 km2，屬高瓦斯礦井。礦井可采煤層7 層，煤層總厚度18.78 m，煤種分貧煤、瘦煤和貧瘦煤，為優質配焦煤和動力煤。

3213 運輸巷主要服務于3215 和3213 回采工作面，巷道的埋深550 m，巷道斷面的寬、高分別為5 m和3.4 m，巷道巖性從上至下依次為中粒巖、砂質泥巖、炭質泥巖、煤、泥巖、中砂巖。原有的支護選定為錨桿+錨索+金屬網+鋼帶，巷道圍巖變形較大，需要進行錨固支護。

利用FLAC3D 數值模擬軟件進行巷道圍巖變形分析，基于官地礦的地質條件，建立長×寬×高為280 m×200 m×100 m 的模型，對模型進行網格劃分，單元格的網格寬度為0.3～0.5 m，由于網格的粗細在一定程度上會影響模型的計算速度，所以在進行網格劃分時，需要考慮到計算需求，所以在巷道斷面附近選定網格劃分，在其余部位可以適當地放大網格的尺寸，劃分完成后共有738062 個單元、765776 個節點。完成網格劃分后，對模型的物理參數進行設定，根據地質柱狀圖分別對模型進行分層力學屬性設置，完成力學參數設定后對模型的約束進行設定，固定模型上下左右邊界的水平及垂直方向移動，完成模型初始設定后對模型進行計算，受二次動壓下巷道圍巖垂直應力分布云圖如圖1 所示。

從圖1 可以看出，由于受到二次動壓影響，使得巷道圍巖應力較大，在巷道的兩幫位置出現一定的應力集中現象，應力集中系數較大，同時觀察圖1-1至圖1-4 可以看出，隨著距離工作面前方距離的不斷增加，巷道兩幫的應力集中現象降低，巷道兩幫的應力降低，所以距離工作面越近，采動影響對巷道變形的影響越大。為了更好地分析巷道二次采動影響下巷道兩幫的圍巖受力情況，繪制二次擾動下巷道支撐應力的分布情況曲線，如圖2 所示。

圖1 二次動壓影響下圍巖垂直應力分布云圖

圖2 二次擾動下巷道支撐應力的分布曲線

從圖2 可以看出，巷道的圍巖受到采動影響兩幫的支撐壓力變化曲線趨勢大致相同，在工作面前10～40 m 的巷道煤柱幫的垂直應力最大值分別為26.6 MPa、24.7 MPa、22.7 MPa 及21.1 MPa，應力集中系數分別為2.0、1.9、1.7 和1.6，應力集中系數隨著距離工作面的距離增加而逐步減小，且應力峰值均出現在巷道煤柱幫6.5 m 的位置。在工作面后10～40 m 的工作面幫的垂直應力最大值分別為24.4 MPa、24.0 MPa、22.0 MPa 及20.9 MPa，應力集中系數分別為1.84、1.81、1.64 和1.57，應力集中系數也隨著距離工作面的距離增加而逐步減小，應力峰值均出現在距離工作面5 m 的位置。隨著距離工作面距離的增大，應力峰值逐步降低。由此可以看出，受到二次擾動使得巷道兩幫的垂直應力較大，兩幫在擾動作用下極易出現兩幫的破壞，同時應力傳至底板，使得底板易出現底鼓現象，所以需要對巷道進行注漿加固。

2 支護優化分析

在原有支護方案的基礎上采用注漿加固來提升圍巖性質，影響注漿效果的主要因素為注漿材料的特性及注漿的工藝，綜合實際地質情況可知，頂板的變形情況要大于兩幫，所以在進行注漿加固時需要遵循頂板的注漿區域大于兩幫，設定如下支護方案：

1）巷道圍巖均采用注漿管進行注漿加固，淺部注漿孔設定為3 m，頂板注漿孔間排距為1 500 mm×2 000 mm。兩幫的注漿孔間排距為1 800 mm×1 000 mm，采用2-1-2 布置方式，注漿孔均垂直于巖面。

2）先對巷道圍巖進行淺部圍巖注漿加固，然后采用注漿錨索進行深部圍巖注漿加固，注漿錨索長度6 m，淺部注漿孔為3 m。頂板注漿孔布置方式為2-3-2，間排距為1 500 mm×1 000 mm，兩幫每排2個注漿孔，間距1 800 mm，注漿孔均垂直巖面。

3）方案三在方案二的基礎上在巷道頂板采用注漿錨索，注漿錨索長度為7 m，同時在巷道的兩幫位置進行普通錨索補強支護，布置方式與方案二類似，錨索補強支護每排布置2 根，間排距900mm×2000 mm。

對原支護方案及三種注漿加固方案下巷道的圍巖變形進行分析，繪制不同加固方案下巷道圍巖頂底板及巷道兩幫移近量曲線，如圖3 所示。

圖3 不同注漿方案下巷道變形曲線

從圖3-1 可以看出，在本區段開采擾動作用下，巷道的頂板出現下沉，底板出現一定的底鼓，整體巷道頂底板的移近量呈現出隨著距離工作面距離的增加逐步降低的趨勢，巷道頂底板移近量的最大值按照原支護，方案1、2、3 的順序依次為672 mm、463 mm、422 mm、389 mm，對比原支護可以發現，注漿加固方案1、2、3 下巷道頂底板移近量均有了大幅的降低，三種方案下頂底板最大移近量較原支護分別下降了31.3%、37.2%和42.1%。由此可以看出，采用第三種注漿加固方案下巷道的頂板底板移近量最小，巷道抵抗擾動的能力好，圍巖控制效果最佳。

從圖3-2 可以看出，巷道受到本區段采動影響，巷道兩幫發生變形，兩幫移近量隨著距離工作面距離的增大呈現出先增大后減小的趨勢，在距離工作面5 m 以內時，巷道兩幫變形量呈現增大的趨勢，在距離工作面5 m 以后巷道兩幫移近量呈現逐步降低的趨勢，在距離工作面5 m 的位置出現兩幫移近量的最大值，按照原支護，方案1、2、3 的順序依次為588 mm、493 mm、390 mm、234 mm，三種方案較原支護方案兩幫移近量有了明顯的降低，降低的幅度分別為16.2%、33.7%和60.2%。由此可以看出，選定第三種注漿加固方案巷道兩幫受到采動影響最小，巷道兩幫圍巖支護效果最佳。

3 結論

1）通過研究二次動壓下巷道圍巖垂直應力分布情況發現，隨著距離工作面前方距離的不斷增加，巷道兩幫的應力集中現象降低。

2）通過分析巷道圍巖垂直應力分布情況，結合原有支護方案給出了巷道圍巖注漿支護的三種優化方案。

3）通過對三種優化方案下巷道圍巖變形量進行分析，發現第三種注漿加固方案巷道兩幫受到采動影響最小，巷道兩幫圍巖支護效果最佳。