雙側采動疊加應力影響下盤區巷道加固技術研究

張 鵬

（晉能控股裝備制造集團，山西 晉城 048000）

在雙側采動疊加應力影響下，盤區大巷失穩破壞，嚴重制約礦井安全高效生產。受采煤工藝提升、開采裝備優化、煤炭需求趨緊等諸多因素影響，礦井產能不斷提升，隨之而來的是開采強度的增加，強烈的礦山壓力導致受動壓影響巷道收斂變形嚴重。如何提高破碎圍巖整體性與完整性，成為巷道修復的關鍵。注漿加固技術通過漿液滲入圍巖裂隙，改善其物理力學性質，提高圍巖整體抗壓強度，現場應用范圍廣泛[1-3]。本文針對寺河礦盤區大巷受雙側采動疊加應力影響維護困難，在調研現場生產地質條件、巷道變形特征、圍巖裂隙窺視的基礎上，提出“圍巖改性+錨索補強”聯合支護方式[4-8]，為類似情況下盤區巷道治理提供借鑒。

1 工程概況

寺河礦東翼四條盤區大巷布置在5303 和5304兩個工作面之間，埋深320～350 m，東西走向布置，與工作面推進方向平行。四條盤區大巷從北向南依次為膠帶運輸巷、輔助運輸巷、回風一巷（巖巷）、回風二巷。煤巷均沿3#煤層底板掘進，斷面尺寸寬×高=5.0 m×4.0 m，留2.2 m 厚煤頂。巖巷布置在3#煤層上覆頂板巖層中，斷面為直墻半圓拱形，距3#煤層頂板約14 m。巷道布置與層位關系如圖1。東翼盤區大巷布置方向與5303、5304 工作面推進方向平行，先后受到5303、5304 工作面整個回采階段動壓影響，動壓影響時間長，疊加應力強度高。回風二巷與53033 巷之間凈煤柱尺寸僅為35 m，輔運巷距回風一巷與膠帶巷分別為10 m、15 m，巷道布置密度高且護巷煤柱尺寸偏小，巷道變形劇烈，以東翼回風二巷變形規律監測與巷道治理進行研究。

圖1 東五盤區東翼集中巷布置圖（m）

2 巷道變形破壞特征分析

2.1 巷道表面位移監測

受5303、5304 工作面采動影響，東翼四條盤區大巷均出現不同程度的圍巖收斂變形現象。5304 工作面已回采結束，為了詳細掌握受采動影響巷道變形情況，在5303 工作面回采期間于東翼回風二巷布置多組表面位移測點，取其中一處巷道圍巖變形監測數據進行分析，如圖2 所示。東翼回風二巷頂底板移近量最大值360 mm，兩幫移近量最大值510 mm。受采動影響80 d 后，頂底板移近量與兩幫移近量均趨于穩定。從監測曲線可知，后續需加強盤區巷道幫部支護強度，防止巷道變形影響礦井生產。

圖2 東翼回風二巷位移監測曲線

2.2 巷道圍巖裂隙窺視

5303 工作面回采結束后在上述測點旁進行鉆孔窺視，掌握圍巖內部裂隙發育情況。鉆孔直徑32 mm，鉆孔深度10 m，窺視結果見表1。受5303 工作面采動影響，巷幫主要破碎深度集中在3.5 m 以內，最大破碎深度在4.76 m 以內，最大破碎長度66 mm。現場應進行淺部圍巖注漿加固，深部圍巖完整性較好，具有良好的承載能力。

表1 鉆孔窺視結果

3 動壓巷道支護形式

1）錨桿、錨噴支護

錨桿支護優勢在于向巷道圍巖提供及時、主動的有力支護，噴射混凝土起到及時封閉破碎圍巖，減少水、風等對圍巖強度的不利影響。錨桿、錨噴支護是一種性能優良、適宜于動壓巷道、軟巖巷道的最優支護形式。但是，支護參數要與現場圍巖結構、采動影響等相結合，方能取得較好的支護效果。

2）金屬支架

金屬支架按照原材料差異可分為工字鋼、U 型鋼支架、鋼管混凝土支架等，按照支架形狀可分為梯形、拱形、馬蹄形、O 型等。U 型鋼可縮支架具有良好的幾何參數和斷面形狀，支架受圍巖作用后易于收縮變形，在現場裝配合理、連接良好的基礎上可獲得良好的支架力學性能。我國常用的U 型鋼可縮支架有U25、U29、U36 三類，同時又可分為圍巖全封閉與半封閉兩類。然而，U 型鋼可縮支架作為一種被動支護形式，施工困難、費用較高，不適宜動壓巷道大面積推廣。

3）注漿加固

破碎圍巖注漿加固主要是利用漿液充填圍巖內微小裂隙，將破碎松散巖體膠結起來，提高圍巖強度與完整性。目前國內常用于破碎圍巖加固的材料可分為兩大類：一類是無機材料，包含單液注漿加固材料、雙液注漿加固材料等；另一類是有機材料，如不飽和聚酯、環氧樹脂、聚氨酯樹脂等，其中聚氨酯樹脂應用范圍最為廣泛。注漿加固多用于較為破碎的圍巖條件，通常與其他支護方式聯合使用。

4）應力控制技術

應力控制技術通常包括優選巷道布置地點，預掘卸壓巷道、卸壓槽等，將巷道布置于采空區邊緣應力降低區或采用人工卸壓措施，從而促使巷道周邊高應力向深部圍巖轉移。因其卸壓效果良好，后期高應力巷道變形往往得到有效控制，成為強動壓影響下巷道治理的有效手段。

4 巷道加固方案

東翼回風二巷受多次采動影響巷道圍巖已經相當破碎，裂隙相當發育。為了提高破碎巖體的可注性，防止漿液向淺部擴散時大量泄漏，影響注漿效果，對圍巖表面實施噴漿。注漿過程中漿液主要以充填、滲透注漿為主，同時伴隨著注漿壓力的升高有微小裂隙的劈裂注漿。注漿加固的作用是通過高壓將具有黏結性的漿液充填到受動壓破壞的圍巖內部裂隙，將破碎圍巖固結成新的整體，其內部重新形成連續的結構體，提高其完整性與承載能力，有助于錨桿（索）錨固力的傳遞，大幅提高破碎圍巖加固質量和效果。動壓巷道經高壓注漿加固后，破碎圍巖整體性得到改善，但承載能力相對于原巖狀態仍然較弱，單純采用注漿方式不利于動壓巷道后期穩定，現場需補打錨索進行補強加固。施工強力錨索的目的是在動壓巷道破碎圍巖恢復連續性后，對其施加強力的邊界條件，有效提高其承載能力，防止圍巖遭受二次破壞，保障巷道安全使用。

經綜合分析論證，提出東翼回風二巷加固的方案：巷幫淺孔注漿加固+圍巖表面噴漿+強力錨索補強聯合支護技術。

4.1 巷幫注漿加固

受強動壓影響巷幫煤體松軟破碎，從前期鉆孔窺視結果來看，巷幫破碎深度在4～5 m，導致已施工錨桿錨固力不足，刷幫作業時極易發生片幫事故，因而巷修前應進行煤幫預注漿加固。預注漿鉆孔呈“三花”形布置，鉆孔直徑42 mm，孔深6 m，上排孔距巷道頂板1 m，排距6 m，垂直巷幫施工；下排孔距巷道底板1 m，排距6 m，垂直巷幫施工，開孔位置可根據現場實際情況進行微調，如圖3。選用速凝早強注漿材料，水灰比控制在0.6～0.8之間，注漿終止壓力在3～4 MPa。注漿過程中遭遇煤幫漏漿情況，應及時進行堵漏處理，如局部出現嚴重漏漿導致注漿量不達標時，后期應進行二次補注。

圖3 巷幫預注漿鉆孔布置（m）

聯邦無機加固材料作為一種新型的地質聚合物注漿加固類材料，主要成分為各類無機礦粉，其具備速凝、早強、擴散范圍大等諸多優點，同時其與煤體黏結強度較普通硅酸鹽水泥類注漿材料有大幅提高。聯邦無機加固材料具備以下優勢：1）聯邦無機加固材料A、B 組分均為無機礦粉，具備無毒、無腐蝕、不自燃等特性，為完全環保型注漿加固材料；2）單組分加水攪拌后，漿液不沉淀、不泌水，具備良好的流動特性，適宜遠距離泵送施工；3）單組分漿液混合后，0～5 min 失去流動性，5～15 min即可完全固化，1～8 h 強度能達到8～15 MPa 以上，具備早強、速凝特性，特別適合采煤、掘進工作面等時效性較高的地點加固需求；4）聯邦無機加固材料水灰比可在較大范圍調整（0.5～2:1），適用于不同破碎程度的圍巖加固需求；5）聯邦無機加固材料具備較強的可注性，擴散半徑可達3～5 m，擴散性可與高分子有機加固材料媲美，其與煤巖體膠結強度較普通硅酸鹽類注漿材料有較大幅度提升；6）聯邦無機加固材料可采用簡易氣動注漿系統，其具備設備輕便、系統簡單、工人勞動強度低等特點。

經綜合論證，確定選用聯邦無機加固材料對回風二巷進行巷幫淺孔注漿加固。

4.2 圍巖表面噴漿

現場每次刷幫長度控制在2 m 以內。刷幫完成后及時張拉已有的Φ22 mm×4300 mm 錨索作為臨時支護，防止片幫事故發生。同時，配合鋼筋網片護表，提升支護體整體強度，網片搭接不小于100 mm，采用16#鐵絲雙股連接，聯網間距100 mm。完成臨時支護后，立即對巷道圍巖進行噴漿封閉，包括巷道兩幫及頂板，砂漿強度C20，噴射厚度不低于100 mm，噴層不得出現蜂窩、漏噴等現象。水泥:黃沙:石粉質量比=1:2:2，砂漿拌制完成后加入速凝劑，其質量為水泥質量的4%。

4.3 錨索補強支護

1）回風二巷掘進期間頂板支護。采用錨網索組合支護方式，錨桿規格Φ22 mm×2400 mm，每排6 根，間排距900 mm×1000 mm；錨索規格Φ22 mm×7300 mm，呈2-0-2 布置，間排距1800 mm×2000 mm；菱形網規格5200 mm×1200 mm。

2）回風二巷巷修期間頂板支護。采用補打錨索進行加強支護，錨索為Φ22 mm×7300 mm，排距1000 mm，鉆孔Φ30 mm；錨索托板采用300 mm×300 mm×16 mm 高強度可調心托板及配套鎖具，承載能力≥550 kN，錨索預緊力≥250 kN，均垂直頂板打設。補強后錨索呈4-4-4布置。如圖4（a）。

圖4 回風二巷補強支護方案（mm）

3）回風二巷掘進期間巷幫支護。采用純錨桿支護方式，錨桿規格Φ22 mm×2400 mm，每排4根，間排距900 mm×1000 mm；菱形網規格3600 mm×1200 mm。

4）回風二巷巷修期間巷幫支護。補打錨索進行加強支護，錨索規格為Φ22 mm×4300 mm，錨索間排距1100 mm×1000 mm，錨索預緊力不低于150 kN，均垂直巷幫打設。補強后錨索呈4-4-4 布置。錨索補強支護布置方式如圖4（b）。

5 效果考察

回風二巷經注漿加固+錨索補強后，圍巖變形得到有效控制。巷道圍巖活動穩定后，1#測點頂底板移近量最大值30 mm，兩幫移近量最大值40 mm；2#測點頂底板移近量最大值50 mm，兩幫移近量最大值60 mm，如圖5 所示。回風二巷經注漿加固+錨索補強后，巷道有害變形得到有效控制。

圖5 補強加固后回風二巷位移監測曲線

6 結論

1）回風二巷受鄰近5304 工作面、5303 工作面采動影響，巷道變形嚴重，頂底板移近量最大值360 mm，兩幫移近量最大值510 mm。巷道圍巖受多次強動壓反復加載、擠壓，圍巖內部松軟破碎、裂隙極度發育，是誘發巷道失穩變形的直接原因。

2）回風二巷經注漿加固、圍巖表面噴漿與錨索補強施工后，巷道圍巖完整性與整體性得到大幅提升，有效傳遞補強錨索施加于圍巖表面的預緊力，擴大補強錨索對巷道圍巖預應力作用深度，提升支護體主動支承能力，確保巷道處于圍巖穩定狀態。