沿空巷道中空錨索注漿加固研究

郗校東

(山西新景煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

沿空巷道中空錨索注漿加固研究

郗校東

(山西新景煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

隨著煤炭開采強(qiáng)度的增大，礦井開采向深部轉(zhuǎn)移，深部巷道沿空掘巷巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，通過FLAC3D數(shù)值模擬研究沿空掘巷圍巖變形特征，采用中空錨索進(jìn)行注漿加固。現(xiàn)場實(shí)測表明，該支護(hù)方式可以有效地控制圍巖變形，進(jìn)一步完善了陽煤一礦的支護(hù)體系，具有一定的工程意義。

沿空掘巷；中空錨索；注漿加固

1 工程地質(zhì)情況

陽煤一礦81205工作面回風(fēng)巷底板標(biāo)高723.0 m～690.0 m，平均埋深500 m左右；煤層厚度6.85 m～7.50 m，平均7.25 m，屬于厚煤層，煤層傾角2°～8°，平均3°，整體屬于近水平煤層；煤層普氏硬度系數(shù)f=2.0，比較軟，上部和下部分別有0.10 m和0.15 m厚的夾矸，煤層層理發(fā)育，節(jié)理較發(fā)育。15#

煤層直接頂為泥巖，平均厚度0.93 m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度0.10 m。本工作面井下位于北翼十二采區(qū)，工作面西側(cè)為回風(fēng)巷，東側(cè)為進(jìn)風(fēng)巷，西側(cè)相鄰工作面為81204工作面(已采)，與81205工作面之間留設(shè)有15 m寬區(qū)段保護(hù)煤柱，東側(cè)為81206工作面(已掘未采)，北側(cè)為井田邊界，南側(cè)為北翼大巷。陽煤一礦81205工作面位置及周邊情況如圖1所示。

圖1 陽煤一礦81205工作面位置及周邊情況

2 沿空掘巷巷道圍巖變形特征

以一礦81205工作面回風(fēng)巷實(shí)際勘測地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，切實(shí)計(jì)算巷道兩側(cè)應(yīng)力分布，確定基本頂斷裂結(jié)構(gòu)形式，為巷道變形破壞機(jī)理研究及加固支護(hù)參數(shù)的選取提供理論依據(jù)。根據(jù)81205工作面回風(fēng)巷的煤層圍巖實(shí)際綜合柱狀圖，對各層巖性賦值，數(shù)值計(jì)算模型采用摩爾-庫倫模型。根據(jù)實(shí)際工作面大小，建立數(shù)值模型，模型采用平面應(yīng)變模型，巷道位于模型中央，巷道部分網(wǎng)格細(xì)化[1]。

新景礦81205工作面回風(fēng)巷沿81204采空區(qū)沿空掘巷，在81204工作面采完頂板運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后再開挖81205回風(fēng)巷，巷道一邊為煤體，一邊為廢棄采空區(qū)，巷道受到兩方面的應(yīng)力，共同影響其穩(wěn)定性，一方面是廢棄采空區(qū)一側(cè)，另一方面是掘進(jìn)成巷形成的應(yīng)力集中。現(xiàn)以81205工作面回風(fēng)巷為原形，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對采空側(cè)高應(yīng)力巷道圍巖變形破壞規(guī)律進(jìn)行分析。巷道臨空掘進(jìn)期間，圍巖塑性區(qū)發(fā)育過程如圖2所示。

圖2 臨空掘進(jìn)期間巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育過程

根據(jù)模擬結(jié)果，巷道開挖后，巷道頂?shù)装迮c兩幫淺部煤巖體隨即發(fā)生破壞，頂?shù)装迨芰Πl(fā)生拉斷破壞，兩幫受力作用發(fā)生剪切破壞，兩幫塑性區(qū)發(fā)育程度大于頂?shù)装?，煤柱幫塑性區(qū)發(fā)育程度大于實(shí)體煤幫。巷道4個(gè)角處開始出現(xiàn)剪切破壞，大致沿中分線方向發(fā)展，且煤柱幫剪切破壞范圍大于實(shí)體煤幫。開挖初期，巷道圍巖塑性區(qū)快速發(fā)育后趨于穩(wěn)定，此時(shí)，發(fā)育速度依然很快。開挖后期，巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育變緩，圍巖最終趨于穩(wěn)定，巷道圍巖四角處變形破壞最為嚴(yán)重。掘進(jìn)期間，巷道實(shí)體煤幫塑性區(qū)發(fā)育深度最大達(dá)到2.5 m，巷道煤柱幫塑性區(qū)發(fā)育深度最大達(dá)到3.5 m；頂板和底板達(dá)到1.5 m；頂角處靠近煤柱幫塑性區(qū)發(fā)育達(dá)到6.48 m，靠近實(shí)體煤幫塑性區(qū)發(fā)育達(dá)到5.5 m；底角處靠近煤柱幫塑性區(qū)發(fā)育達(dá)到5.5 m，靠近實(shí)體煤幫塑性區(qū)發(fā)育達(dá)到4.6 m[2]。

為了便于分析圍巖變形，在巷道圍巖中設(shè)置測線，用以監(jiān)測巷道圍巖位移變化規(guī)律。分別在垂直于巷道頂(底)板方向布置一條長度為10 m的監(jiān)測線，每隔0.5 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，每條監(jiān)測線上共計(jì)21個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；平行于巷道頂(底)板方向分別布置一條長度為5 m的監(jiān)測線，每隔0.25 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，每條監(jiān)測線上共計(jì)21個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。巷道底板中間為x坐標(biāo)0點(diǎn)位置。臨空掘進(jìn)期間，頂?shù)装灞O(jiān)測線上巷道圍巖變形情況如圖3所示。

圖3 臨空掘進(jìn)期間巷道頂?shù)装宕怪蔽灰?/p>

由圖3可知，巷道臨空掘進(jìn)期間，位移主要表現(xiàn)為頂板下沉與兩幫移近。巷道頂板平均下沉量為361 mm，最大下沉量為390 mm；底板平均底鼓量為18.1 mm，最大底鼓量為20.7 mm，頂?shù)装逡平繛?79.1 mm；實(shí)體煤幫最大水平位移204 mm，煤柱幫最大水平位移489 mm，是實(shí)體煤幫的2.4倍。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，80116工作面回風(fēng)巷在臨空掘進(jìn)期間，圍巖變形相對較小，在水平應(yīng)力作用下，巷道頂?shù)装逡岳哑茐臑橹?，向巷道?nèi)彎曲變形，兩幫及巷道兩側(cè)頂角處以剪切破壞為主，兩角處剪切破壞深度較大，煤柱幫受采動(dòng)影響相對嚴(yán)重。所以，采空側(cè)高應(yīng)力巷道圍巖破壞形式為復(fù)合型破壞，破壞形式復(fù)雜，圍巖破壞范圍廣，塑性區(qū)發(fā)育深度大。

3 注漿加固試驗(yàn)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，81205工作面回風(fēng)巷圍巖結(jié)構(gòu)形式為基本頂斷裂位置位于巷道正上方，巷道兩側(cè)圍巖受力不均勻，圍巖破碎支護(hù)效果差；巷道圍巖破壞形式復(fù)雜，圍巖破壞范圍廣，塑性區(qū)發(fā)育深度大，特別是矩形巷道四角處變形破壞情況嚴(yán)重，是注漿加固的重要區(qū)域，并根據(jù)漿液擴(kuò)散特征最終確定巷道錨注加強(qiáng)支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)巷道斷面圖

頂板：頂板布置2根中空注漿錨索，位于巷道兩頂角處，方向均豎直向上，與煤壁幫、煤柱幫各相距300 mm，鉆孔深度均為7 000 mm，采用Φ22 mm×7 200 mm型中空注漿錨索，排距為700 mm，預(yù)緊力不低于250 kN，距原始支護(hù)第一排350 mm。

兩幫：煤柱幫布置1根中空注漿錨索(成三花眼布置)，上部注漿錨索與頂板相距800 mm，成水平方向，下部注漿錨索與底板相距600 mm，與水平方向成30°向下，采用φ22 mm×4 800 mm型中空注漿錨索，鉆孔深度為4 500 mm，幫錨索間距為700 mm，預(yù)緊力不低于250 kN。

注漿材料選用注錨劑，屬于雙液注漿材料，A、B液混合黏度低，能滲入較細(xì)巖縫中，反應(yīng)迅速，形成的固結(jié)體具有高強(qiáng)度、高韌性，抗壓縮形變、抗拉伸、抗剪切，能夠把原來松散的、破碎的、不連續(xù)的煤巖體圍巖膠結(jié)成連續(xù)的、完整的受力體。注漿泵選擇ZBQS-8.0/12.0型氣動(dòng)注漿泵，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、移動(dòng)方便，能夠改變壓力氣體的流量進(jìn)行無級調(diào)速，安全可靠。

中空注漿錨索主要由錨索索體、托盤、索具、止?jié){塞部件組成。錨索索體由3部分組成，頂部實(shí)心段用于攪拌樹脂實(shí)現(xiàn)端錨，中間段內(nèi)有軟性芯管(柔性注漿管)，便于錨索彎曲和注漿，中間段與頂部實(shí)心段具有出漿口，錨索尾部為緊固段，內(nèi)用高強(qiáng)合金管(剛性注漿管)，當(dāng)錨具緊固時(shí)索體不收縮。止?jié){塞采用錐形橡膠止?jié){塞。若考慮到煤巖體裂隙被完全填滿漿液，充分發(fā)揮其膠結(jié)作用，保證巷道的穩(wěn)定性，其判定標(biāo)準(zhǔn)就是注入的漿液溢出，再也進(jìn)不去為止。注漿量計(jì)算見式(1)。

Q=ALπR2βλ

(1)

式中，Q為漿液注入量，m3；A為漿液消耗系數(shù)，取1.3；L為注漿段長度，分別取7.2 m、4.8 m；R為漿液有效擴(kuò)散半徑，取1.5 m；β為圍巖裂隙率，取0.1；λ為漿液的充填系數(shù)，取0.8。

經(jīng)計(jì)算，注漿段長度為7.2 m時(shí)，注漿量約為2.35 m3，注漿段長度4.8 m時(shí)，注漿量約為4.12 m3，注漿段單位長度注漿量約為0.74 m3。

錨索索體是大強(qiáng)度、螺旋式、大應(yīng)力的鋼絲緊密螺旋在一起的。這種鋼絲是一種新型材料，變形程度非常大，該鋼絲的主要特征是在碾壓、延展、拉伸形成普通鋼絲過程中，形成半成品時(shí)利用拉亞特性的塑性并行階段，使鋼絲3根～6根形狀相似連續(xù)不間斷的凸起鉸接在一起，外形呈似圓形，且鋼絲每處截面面積都相同[3-4]。

鄰近工作面開采后，巷道圍巖變形經(jīng)過前期釋放，已逐漸穩(wěn)定，在本工作面回采前，對回風(fēng)巷進(jìn)行錨注加固支護(hù)。根據(jù)巷道圍巖情況，選擇注漿壓力在3 MPa～5 MPa，圍巖條件較好時(shí)，選擇較大的注漿壓力，較為破碎時(shí)，選擇相對較小的注漿壓力；初步選擇注漿時(shí)間在30 s～50 s，不再進(jìn)液時(shí)停止注漿。

4 結(jié)論

根據(jù)以上研究結(jié)論并綜合考慮試驗(yàn)巷道采礦地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了采空側(cè)高應(yīng)力巷道錨注加固方案，并制定了礦壓監(jiān)測方案。監(jiān)測結(jié)果表明，錨注加固區(qū)內(nèi)頂板和底板的相對移近量減少了21.8%，兩幫相對移近量減少了21.6%，錨索受力增大了12.3%，錨注加固方案起到了顯著的效果。

[1] 鄭西貴，姚志剛，張農(nóng).掘采全過程沿空掘巷小煤柱應(yīng)力分布研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2012,29(4):459-465.

[2] 王成，韓亞峰，杜澤生，等.沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的發(fā)展與展望[J].煤礦開采,2014,19(4):1-4.

[3] 黃中峰.中空注漿錨索破壞規(guī)律分析及關(guān)鍵技術(shù)性能優(yōu)化[J].金屬礦山,2015(9):116-121.

[4] 劉文濤，王安舍，張正斌，等.中空注漿錨索在沿空留巷支護(hù)中的應(yīng)用[J].煤炭工程,2011(6):42-44.

Researchongroutingreinforcementofhollowanchorcableingob-sideentrydriving

XIXiaodong

(ShanxiXinjingCoalIndustryCo.,Ltd.,YangquanShanxi045000,China)

With the increase of mining intensity, coal mining becomes deeper.The deformation and damage of surrounding rock in gob-side entry drivingof deep roadway is serious.The deformation characteristics of surrounding rock in gob-side entry driving are studied by Flac3Dnumerical simulation, grouting reinforcement by hollow anchor cable is adopted.The field measurementshows that the supporting method can effectively control the deformation of the surrounding rock, further perfecting the supporting system of No.1 mine in Yangquan Coal Industry, which has a certain engineering significance.

roadway driving along goaf; hollow anchor cable; grouting reinforcement

2017-03-21

郗校東，男，1987年出生，2015年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，現(xiàn)從事礦山機(jī)電方面的工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.40

TD265.4

A

1004-7050(2017)03-0117-04

煤礦工程