大斷面煤巷中空注漿錨索加固技術(shù)應(yīng)用研究

郝青山

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤集團公司辛置煤礦的2-208綜采工作面可采走向長度1562m，傾向長度180.5m，實體長176m，地表位于洪洞縣境內(nèi)，上跑蹄村南部平垣地帶，北面距上跑蹄村約510m，東面距仇池村約950m，西南面距焦家垣村約1600m，西面距南溝村約1500m。工作面沿頂?shù)装甯蠲?，煤層厚?.8～4.3m，均厚4.1m，2-208工作面內(nèi)煤層整體為單斜構(gòu)造，西北高東南低，工作面煤層整體坡度較平緩，工作面煤層傾角平均4°，夾矸巖性多為含炭質(zhì)泥巖或泥巖，有時為泥質(zhì)砂巖，工作面頂?shù)装鍘r性特征詳見表1。1226工作面運輸巷采用沿空掘巷的方式進行施工，為保證巷道的穩(wěn)定性展開其圍巖控制方案的研究。

2 巷道圍巖穩(wěn)定性模擬研究

2.1 2-208運輸巷原有支護方案

辛置煤礦2-208運輸巷沿2-216采空區(qū)沿空掘巷，設(shè)計斷面均為4.6×3.0m矩形斷面，巷道沿底掘進，煤柱留設(shè)寬度為15m。頂板采用Φ20×2400mm左旋高強錨桿，排間距700×1000mm，配合1根長4.2m的鋼筋梯子梁進行支護，每根錨桿采用CK2360和Z2388樹脂藥卷各一支，錨索為規(guī)格Φ17.8×6300mm的鋼絞線，“二一二”布置，兩根時排間距為3000×1400mm，一根時在正中布置，每孔選用2條Z2388樹脂錨固劑，頂部采用冷拔網(wǎng)和菱形網(wǎng)雙層布置；幫部每排每幫4根，排間距為700×900mm，每孔選用1條Z2388樹脂錨固劑,配合一根2.7m鋼筋梯子梁，全斷面鋪設(shè)12#鐵絲菱形網(wǎng)。

表1 頂?shù)装鍘r性特征

2.2 圍巖變形破壞規(guī)律模擬分析

2-208運輸巷掘進初期，錨網(wǎng)索支護完成以后，頂板快速下沉，煤柱幫內(nèi)移嚴重，支護效果很差。為掌握2-208運輸巷深部圍巖變形特征，提出更為合理有效的圍巖控制方法，采用FLAC3D數(shù)值軟件模擬沿空巷道的掘進[1～2]，根據(jù)2-208工作面頂?shù)装鍘r層的綜合柱狀圖及實驗室物理力學(xué)實驗結(jié)果對各個巖層進行賦值，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，依照工作面實際面積，建立模型尺寸（長×寬×高）=500×200×80m，三維數(shù)值模型如圖 1（a）所示。為使模型更加接近實際情況，對模型左右和前后邊界的水平位移進行限制，下部邊界X、Y、Z軸的位移均限制為零，頂部邊界施加7.25MPa的垂直應(yīng)力，三維模型的邊界條件的如圖1（b）所示。

圖1 數(shù)值模型及模擬方案示意圖

模型賦值及參數(shù)設(shè)定完成后，模型計算平衡得到初始地應(yīng)力場，首先進行臨近2-216工作面的開挖，然后進行2-208運輸巷的開挖，并采用前文所述的錨桿、錨索進行支護，巷道圍巖塑性區(qū)破壞情況模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 巷道掘進期間巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育過程

根據(jù)圖2所示結(jié)果可以看出，巷道開挖支護完成后，淺部圍巖很快出現(xiàn)明顯的塑性破壞區(qū)域，頂板和底板圍巖以拉伸破壞為主，兩幫圍巖主要為剪切破壞，煤柱幫塑性破壞程度大于實體煤幫。隨著成巷時間的增加，圍巖內(nèi)塑性破壞區(qū)逐漸擴展，頂板破壞深度擴展到3.0m后不再增大；兩個肩窩處，圍巖的破壞深度和范圍逐漸增大，煤柱幫一側(cè)頂角處塑性區(qū)發(fā)育高度最大達6.5m，實體煤幫側(cè)發(fā)育高度最大達5.5m；兩幫圍巖塑性破壞深度和面積不斷增大，煤柱幫最大破壞深度為5.5m，實體煤幫最大破壞深度為4.5m，煤柱幫的破壞深度和面積明顯大于實體煤幫；底板破壞深度增大至2.5m不再變化；兩個底角處圍巖破壞深度和范圍不斷增大，破壞深度達6.0m，煤柱側(cè)破壞范圍大于實體煤側(cè)。綜上可知，在原有錨網(wǎng)索支護條件下，巷道圍巖沿肩窩和底角逐漸塑性破壞，破壞范圍廣，支護效果差，煤柱幫破壞程度高于實體煤幫。

3 圍巖注漿加固技術(shù)

根據(jù)2-208運輸巷現(xiàn)場實際變形情況及數(shù)值模擬結(jié)果，錨網(wǎng)索支護條件下，圍巖內(nèi)松動圈發(fā)育范圍較大，原有支護方案無法抑制松動圈的擴展，可通過注漿改善圍巖的物理力學(xué)特征、整體性[3～4]。為確定2-208運輸巷圍巖注漿合理的壓力，為注漿方案的設(shè)計提供參考依據(jù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立柱體外環(huán)繞放射狀網(wǎng)格注漿模型，模型尺寸（長×寬×高）=10×6×6m，模型中部為注漿孔，直徑32mm，圍巖滲透系5.0e-8，圍巖孔隙率0.5，模型如圖3（a）所示。模擬注漿時間為30s條件下，注漿壓力為1～7MPa，統(tǒng)計漿液的擴散半徑，整理得到漿液擴散半徑隨注漿壓力的變化規(guī)律如圖3（b）。

圖3 數(shù)值模型及模擬結(jié)果

由圖3（b）所示結(jié)果可以看出，隨著注漿壓力的增大，漿液的擴散半徑不斷增大，但注漿壓力增量與漿液擴散半徑增量呈非線性增長趨勢，注漿壓力同樣增加1MPa的條件下，漿液擴散半徑的增長幅度逐漸減小，漿液壓力達到5MPa以上時，漿液的擴散半徑基本不變，因此，將合理注漿壓力確定在3～5MPa之間。

4 中空注漿錨索加固方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道肩窩處及煤柱幫是本次注漿加固的重點區(qū)域，因此設(shè)計在頂板兩側(cè)即煤柱幫中上部布置中空注漿錨索，設(shè)計2-208運輸巷錨注加強支護方案如圖4所示。

圖4 中空注漿錨索加固方案

頂板支護材料：Φ20×2400mm的左旋螺紋鋼錨桿，Φ17.8×8200mm鋼絞線錨索，Φ22×7200 mm的中空注漿錨索，長度4.5m的5孔W型鋼帶，每排三根錨桿、兩根錨索，W鋼帶聯(lián)結(jié)，靠近幫部的錨桿向外側(cè)傾斜20°施工，間排距1025×700mm，中空注漿錨索布置在錨桿錨索中部，每排兩根，距離幫部300mm，垂直頂板施工，鉆孔長度為7000mm。實體煤幫采用Φ20×2400mm的左旋螺紋鋼錨桿進行支護，間排距為700×700mm。煤柱幫采用 Φ20×2400mm的左旋螺紋鋼錨桿、Φ17.8×6300mm鋼絞線錨索、Φ22×4800 mm的中空注漿錨索，煤柱幫下部布置兩根錨桿，間排距為700×700mm，錨桿間布置中空注漿錨索，向下傾斜30°施工，排距為1400mm，中上部布置短錨索，上下交替布置，排距為700mm，注漿錨索與下部的交替布置，沿水平方向垂直巷道軸線施工，排距1400mm，巷道內(nèi)中空注漿錨索詳細參數(shù)見表2。注漿材料為注錨劑，采用ZBQS-8.0/12.0型氣動注漿泵，注漿壓力在3～5MPa之間，初步選擇注漿時間在30～50s，不再進液時停止注漿。

表2 中空注漿錨索技術(shù)參數(shù)

5 應(yīng)用效果

2-208運輸巷掘進期間布置多個測站進行圍巖位移監(jiān)測，每個測站內(nèi)分別設(shè)置2個位移監(jiān)測面，間距2000mm，取每個測站內(nèi)兩個測面監(jiān)測的平均值作為最終值，巷道掘巷后，各測點頂?shù)装搴蛢蓭鸵平烤∮?00mm，為全面掌握圍巖的控制效果，在2-208工作面投入生產(chǎn)后，整理得到圍巖變形量的變化規(guī)律如圖5所示。超前工作面約65m巷道變形速率開始明顯增大，頂?shù)装遄畲笠平繛?78～519mm，兩幫最大移近量為 450～750mm，圍巖整體穩(wěn)定，由此可知，采用中空錨索注漿加固技術(shù)加強巷道支護強度，能夠有效減小巷道圍巖變形，基本滿足工作面生產(chǎn)要求。

圖5 現(xiàn)場礦壓監(jiān)測結(jié)果

6 結(jié) 論

根據(jù)辛置煤礦2-208運輸巷圍巖實際綜合柱狀圖及開采背景，采用FLAC3D軟件模擬分析表明，巷道掘進期間，圍巖塑性破壞區(qū)沿肩窩和底角逐漸延伸，煤柱幫塑性破壞程度高，圍巖整體塑性破壞面積大、范圍廣，提出采用注漿加固技術(shù)進行圍巖控制，合理的注漿壓力在3～5MPa之間，設(shè)計錨網(wǎng)索+注漿加固的具體方案，現(xiàn)場應(yīng)用后進行礦壓監(jiān)測，巷道掘進期間，圍巖位移量均小于100mm，工作面回采期間，頂?shù)装遄畲笠平繛?78～519mm，兩幫最大移近量為450～750mm，圍巖整體穩(wěn)定，中空錨索注漿加固技術(shù)取得良好的圍巖控制效果。