王坡煤礦復(fù)雜應(yīng)力硐室群加固技術(shù)研究

賈光勝，常海雷

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西晉城 048021）

王坡煤礦復(fù)雜應(yīng)力硐室群加固技術(shù)研究

賈光勝，常海雷

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西晉城 048021）

理論研究王坡煤礦巷道圍巖變形破壞機(jī)理，數(shù)值模擬分析動(dòng)壓近距離硐室群的受力和變形特征。在兩者的基礎(chǔ)上提出工作面回采動(dòng)壓影響下復(fù)雜應(yīng)力硐室群的注漿加固支護(hù)方案，并進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。加固效果檢測表明注漿區(qū)域變形明顯縮小，能夠確保硐室在服務(wù)年限內(nèi)的正常安全使用。

復(fù)雜應(yīng)力硐室群;動(dòng)壓近距離;圍巖穩(wěn)定性;注漿加固

王坡煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.5Mt/a，現(xiàn)主采3號煤，礦井集中軌道巷、集中膠帶巷、集中回風(fēng)巷、二采區(qū)變電所、水倉等巷道和硐室將服務(wù)于3號煤層開采全過程，服務(wù)年限在20a以上。由于該處硐室密度大，圍巖應(yīng)力復(fù)雜，各硐室施工時(shí)會(huì)相互擾動(dòng)，造成硐室群發(fā)生持續(xù)變形與破壞。近期受3212運(yùn)輸巷繞道和水倉掘進(jìn)動(dòng)壓影響，二采區(qū)變電所附近硐室群圍巖變形和破壞均有明顯增加，變形破壞形式主要表現(xiàn)為巷幫向內(nèi)鼓出、頂板彎曲下沉或斷裂、巷道底鼓。多次采掘應(yīng)力耦合作用下該區(qū)域煤巖體更加松軟破碎，巷道變形嚴(yán)重，為了保證3212工作面正常回采和整個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)，必須對相關(guān)井巷工程進(jìn)行加固處理。

1 二采區(qū)變電所附近硐室變形破壞機(jī)理分析

該處巷道在開挖之前，一直處于原始應(yīng)力狀態(tài)，由于自身或周圍硐室的施工，原巖應(yīng)力場發(fā)生改變，應(yīng)力的重新分布數(shù)次打破巷道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)［3－4］，若巷道支護(hù)不能適應(yīng)采動(dòng)影響帶來的應(yīng)力變化，或者未及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施，巷道會(huì)發(fā)生不同程度的破壞，影響其安全使用。

王坡煤礦二采區(qū)變電所附近硐室圍巖變形具有以下特點(diǎn):

（1）巷道圍巖變形量大 根據(jù)井下監(jiān)測結(jié)果，復(fù)雜應(yīng)力巷道圍巖變形普遍較大，一般為數(shù)十厘米，最大可達(dá)1.0m以上。

（2）巷道受采動(dòng)影響后變形量大 由于王坡礦埋深不大，原巖應(yīng)力相對較小，巷道在掘進(jìn)初期變形速度較小，經(jīng)受劇烈動(dòng)壓影響后，由于初期支護(hù)強(qiáng)度和預(yù)緊力不足導(dǎo)致巷道圍巖變形量大。

（3）巷道圍巖變形具有長期性 復(fù)雜應(yīng)力下巷道圍巖發(fā)生長期蠕變，變形具有明顯時(shí)間效應(yīng)。

（4）巷道底鼓變形嚴(yán)重 經(jīng)受數(shù)次動(dòng)壓影響后不僅頂板、兩幫發(fā)生顯著變形和破壞，巷道底板也往往發(fā)生強(qiáng)烈底鼓現(xiàn)象。

復(fù)雜應(yīng)力和動(dòng)壓環(huán)境是導(dǎo)致王坡煤礦二采區(qū)變電所區(qū)域硐室群圍巖變形與破壞的本質(zhì)原因。多次經(jīng)受強(qiáng)烈動(dòng)壓影響的巷道圍巖，在各種復(fù)雜應(yīng)力耦合作用下，產(chǎn)生塑性流動(dòng)和破碎脹裂［5］，從而導(dǎo)致巷道圍巖出現(xiàn)較大變形。同時(shí)，該區(qū)域巷道布置密度高、斷面大也是加劇圍巖變形的直接因素。

2 數(shù)值模擬分析

運(yùn)用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模型［6］，分析二采區(qū)變電所附近硐室空間圍巖應(yīng)力場分布情況，巷道群應(yīng)力集中位置的影響。通過模擬為受采動(dòng)影響而變形失穩(wěn)的二采區(qū)變電所硐室提出有效的加固支護(hù)方案。

2.1 模型建立及賦值

建模過程中嚴(yán)格按照王坡礦實(shí)際工程地質(zhì)狀況，基本頂為中砂巖，厚度8.89m，深灰色，硅鈣質(zhì)膠結(jié)，局部含有大量云母，局部含有炭質(zhì)條帶，具斜波狀層理;直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度4.00m，灰黑色，夾薄層泥巖，局部含有粗粉砂巖，可見植物化石碎片;偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度1.37m，黑色，質(zhì)軟，可見植物化石，隨采掘脫落;3號煤，厚5.97m，黑色，亮煤為主，具有金屬－玻璃光澤，堅(jiān)硬，性脆，內(nèi)生節(jié)理裂隙發(fā)育，局部煤質(zhì)松軟破碎，局部含有兩層夾矸。煤層穩(wěn)定，全區(qū)可采，煤層傾角為2～10°，平均為6°;直接底為泥巖或細(xì)粉砂巖，厚2.10m，灰黑色，含粉砂質(zhì)和植物化石;老底為中砂巖，厚3.20m，灰色，具水平層理，貝殼狀斷口。數(shù)值計(jì)算模型如圖1。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算選取摩爾庫侖模型，并給相應(yīng)層位巖體賦予物理力學(xué)參數(shù)，材料參數(shù)詳見表1。計(jì)算前按模型所在的深度向模型施加自重載荷，并對三維模型側(cè)面和底面提供位移邊界或應(yīng)力邊界約束。

2.2 數(shù)值計(jì)算及分析

模型建立后，首先模擬集中膠帶巷、集中軌道巷、集中回風(fēng)巷、3212水倉硐室、二采區(qū)變電所硐室開挖后圍巖應(yīng)力場的變化與分布特征。然后根

表1 數(shù)值計(jì)算模型的巖體力學(xué)參數(shù)

據(jù)現(xiàn)場條件，模擬研究3212綜采工作面停采線距水倉分別為85m，95m，105m，115m時(shí)，硐室群周圍的應(yīng)力分布以及圍巖狀態(tài)。

從圖2中可以看出，各巷道硐室施工后，硐室與硐室間相互影響，應(yīng)力產(chǎn)生疊加效應(yīng)。巷道與硐室交叉位置，圍巖垂直應(yīng)力疊加明顯。從硐室群施工后硐室圍巖最大主應(yīng)力場分布來看，應(yīng)力較大區(qū)域主要分布在巷道與硐室之間煤柱的邊角處，最大壓應(yīng)力值為25.95MPa。

圖2 各硐室施工后圍巖應(yīng)力場分布特征

數(shù)值模擬結(jié)果表明，受3212工作面回采動(dòng)壓影響，距離煤柱較近的集中膠帶巷及3212水倉硐室受影響較大，巷道圍巖應(yīng)力集中程度明顯增加。從圖3中可以看出，工作面兩側(cè)及前方約20m范圍內(nèi)應(yīng)力集中程度很高。停采距離為85m時(shí)，工作面前方超前支撐應(yīng)力與集中膠帶巷及3212水倉施工所產(chǎn)生的擾動(dòng)應(yīng)力相互疊加;停采距離為95m時(shí)，工作面前方超前支撐應(yīng)力與集中膠帶巷施工所產(chǎn)生的擾動(dòng)應(yīng)力有少量的疊加區(qū)域;停采距離大于105m時(shí)，工作面前方超前支撐應(yīng)力與集中膠帶巷施工所產(chǎn)生的擾動(dòng)應(yīng)力疊加程度明顯降低。

從硐室圍巖位移場分布和塑性區(qū)分布 （圖4）來看，當(dāng)停采距離為105m時(shí)，受工作面回采影響，硐室與巷道最大變形和破壞發(fā)生在3個(gè)位置:集中膠帶巷與3212水倉交叉位置處，集中軌道巷在硐室較為密集的位置處、二采區(qū)變電所與其他巷道連接處。這3個(gè)位置將是加固支護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

圖3 工作面停采線與水倉不同距離時(shí)圍巖垂直應(yīng)力場分布

圖4 停采線距水倉105m時(shí)位移場和塑性區(qū)分布

3 二采區(qū)變電所加固支護(hù)方案

二采區(qū)變電所及變電所通道底板布置有放置電纜的電纜溝，加固后需保持底板穩(wěn)定，確定進(jìn)行全斷面加固。

3.1 底板加固

（1）起底 二采區(qū)變電所底板電纜溝影響加固施工，加固前起底，清除電纜溝部位的底渣，底板加固后重新澆筑。

（2）注漿孔布置 變電所及變電所通道底板注漿鉆孔沿巷道走向呈五花布置，排距1500mm，間距1100～1800mm。

（3）鉆孔參數(shù) 使用ZYJ－270/180架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)打孔，鉆頭直徑φ56mm。中線附近鉆孔垂直于底板向下，靠近兩幫的鉆孔外扎角6～10°?？咨钊?000mm±50mm。

（4）錨索安裝預(yù)緊 成孔后預(yù)埋錨索。插入錨索，將20mm塑料灌漿管插至孔底，填入少量石粉，灌入水泥漿 10L，拔出塑料管。錨索為φ22mm，1×19股高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度6300mm。配φ6.5mm焊接鋼筋網(wǎng)，規(guī)格3200mm×1600mm，四邊封閉，網(wǎng)孔 100mm×100mm;配φ20mm焊接鋼筋梯梁，高強(qiáng)度拱形托板，加裝調(diào)心球墊。底板注漿孔預(yù)埋錨索7d后，鋪聯(lián)鋼筋網(wǎng)，斷面對接、走向搭接一孔，使用16號鐵絲孔孔相連并絞緊。外部套裝鋼筋梯梁。

鉆孔內(nèi)插入長度4000mm（外露500mm）鋁塑注漿管、封孔膠塞、止退鋼管、高強(qiáng)度拱形托板、球墊及索具。

注漿前張拉預(yù)緊錨索，預(yù)緊力不小于200kN。

（5）底板注漿 注漿材料為水泥漿、水泥－水玻璃雙液漿。使用錨索托板穿入的鋁塑注漿管，全長一次注漿。注漿終止壓力為4～6MPa。

3.2 幫頂圍巖加固方案

3.2.1 水泥注漿加固

二采區(qū)變電所幫頂圍巖水泥注漿鉆孔，沿巷道斷面成排、五花布置，排距1800mm，布置在兩排錨桿之間，兩幫注漿孔間距1600mm，頂板注漿孔間距1500mm，兩幫靠近頂板的注漿孔仰角30°，靠近底板的注漿孔下扎角15°，其余鉆孔垂直于兩幫;頂板靠近兩幫的注漿孔，外扎15°和30°，中線附近鉆孔垂直于頂板。變電所兩幫水泥注漿鉆孔深度6000mm;頂板水泥注漿鉆孔深度4000mm。

兩幫使用ZQS－65/2.5防突鉆機(jī)打孔，鉆頭直徑φ44mm;兩幫底腳使用ZYJ－270/180架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)打孔，鉆頭直徑 φ56mm;頂板使用MQT120錨桿鉆機(jī)打孔，鉆頭直徑φ42mm。注漿材料為水泥漿、水泥－水玻璃雙液漿。

埋孔口注漿管，孔內(nèi)下射漿管，全長一次注漿，注漿終止壓力3～5MPa，根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整。

3.2.2化學(xué)注漿加固

水泥注漿完成后，幫頂進(jìn)行“固瑞特201”化學(xué)注漿，進(jìn)一步改善圍巖結(jié)構(gòu)完整性。

幫頂化學(xué)注漿孔沿巷道斷面五花眼布置，排距2700mm，間距2000mm，兩幫靠近頂板鉆孔仰角15°，靠近底板鉆孔下扎10°，中間鉆孔垂直兩幫。頂板鉆孔靠近兩幫的外扎30°，其余鉆孔垂直頂板。幫、頂化學(xué)注漿孔深度全部3000mm。

兩幫使用ZQS－65/2.5防突鉆機(jī)打孔，鉆頭直徑φ44mm;頂板使用MQT120錨桿鉆機(jī)打孔，鉆頭直徑φ42mm。

化學(xué)注漿鉆孔使用封孔器封孔，封孔全部深度800mm。

全長一次注漿，注漿終止壓力6～8MPa。正常注漿材料消耗每孔不大于35kg/m，最大材料消耗量每孔100kg/m。

3.3 幫頂圍巖支護(hù)

化學(xué)注漿施工完成1d后，幫頂進(jìn)行預(yù)應(yīng)力全長注漿錨索支護(hù)施工。

（1）巷幫支護(hù) 錨索規(guī)格為 φ22mm－1×19－5300mm，其中300mm為外露張拉段。

兩幫錨索沿巷道斷面成排、矩形排列，排距1800mm，間距1500mm。電纜溝側(cè)底腳錨索下扎10°，其余幫錨索垂直巖面布置。

使用ZQS－50/1.6錨桿鉆機(jī)打孔，鉆頭直徑30mm，孔深5000mm±30mm。使用直徑φ56mm鉆頭擴(kuò)孔，深度500mm。

采用樹脂端部錨固，3支錨固劑，1支規(guī)格為K2335，另 2支規(guī)格為 Z2360。樹脂錨固長度1600mm，其余部分水泥漿錨固。錨索預(yù)緊力≥200kN。

錨索外端套裝注漿附件推入鉆孔，安裝托板引出注漿管，加裝球墊張拉預(yù)緊。注漿材料為水泥漿。錨索孔終止壓力4～6MPa。

（2）頂板支護(hù) 錨索規(guī)格為 φ22mm－1×19－5300mm，其中300mm為外露張拉段。頂板錨索成排、矩形排列，排距1800mm，間距1600mm，布置在原支護(hù)無錨索的兩排錨桿之間。使用MQT120錨索鉆機(jī)打孔，鉆頭 φ30mm，孔深 5000mm±30mm。擴(kuò)孔鉆頭φ56mm，擴(kuò)孔深度500mm。錨索垂直巖面布置。全長預(yù)應(yīng)力錨固。首先用1支K2335配合2支Z2360的樹脂錨固劑進(jìn)行端部錨固，錨固長度1600mm;剩余部分進(jìn)行預(yù)應(yīng)力水泥漿錨固。

錨索外端套裝注漿附件推入鉆孔，每排錨索套裝φ20mm焊接鋼筋梯梁，安裝托板引出注漿管，加裝球墊張拉預(yù)緊 （由中間一根向兩邊逐根預(yù)緊）。錨索預(yù)緊力≥250kN。

注漿材料為水泥漿。錨索孔終止壓力4～6MPa。

4 注漿效果檢測

二采區(qū)變電所區(qū)域硐室群加固施工完成后，在加固區(qū)域進(jìn)行鉆孔窺視，檢測巷道圍巖裂隙注漿效果，如圖5所示。

圖5 變電所注漿區(qū)域鉆孔窺視

窺視結(jié)果表明，漿液能夠注入圍巖空洞和裂隙，憑借自身固化后具有的高強(qiáng)度和高抗變形能力，將破碎煤巖粘結(jié)成為一個(gè)整體，大大增強(qiáng)了巷道圍巖的自身承載能力，阻止裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張，抑制圍巖變形破壞的持續(xù)發(fā)展;離層以及貫通的裂隙亦被漿液充實(shí)，巖層裂隙內(nèi)形成完整的充填層，顯著提高了頂板和巷幫圍巖的完整性。同時(shí)，高強(qiáng)度的注漿結(jié)石體為后期注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)提供錨固基礎(chǔ)，顯著提高破碎圍巖的支護(hù)效果。

5 礦壓監(jiān)測及分析

進(jìn)行注漿和錨索加固后，在二采區(qū)變電所建立表面位移測站，2011年1月5日至2月19日對二采區(qū)變電所進(jìn)行了變形監(jiān)測，監(jiān)測曲線如圖6所示。從巷道圍巖表面位移結(jié)果看，巷道表面位移、兩幫收斂及頂板下沉量最大觀測值為15mm。注漿加固和錨索補(bǔ)強(qiáng)綜合加固控制了圍巖的變形與破壞，保持了圍巖的長期穩(wěn)定，加固效果十分顯著。

圖6 二采區(qū)變電所表面位移監(jiān)測曲線

6 主要結(jié)論

（1）理論分析和數(shù)值模擬得出，復(fù)雜應(yīng)力和采掘動(dòng)壓環(huán)境是二采區(qū)變電所硐室群圍巖失穩(wěn)和變形的根本原因。加強(qiáng)和提高圍巖主動(dòng)支護(hù)能力，是控制動(dòng)壓巷道圍巖破壞的根本途徑。

（2）礦壓觀測數(shù)據(jù)表明，以注漿加固為基礎(chǔ)進(jìn)行錨索支護(hù)的綜合加固技術(shù)，顯著提高了復(fù)雜應(yīng)力硐室群的抗擾動(dòng)能力，加固后巷道圍巖變形量很小，加固效果顯著。

（3）解決了王坡煤礦復(fù)雜應(yīng)力下破碎圍巖巷道的支護(hù)與加固技術(shù)難題，大大緩解采掘接替緊張局面，為類似條件下工作面的合理布置及巷道支護(hù)提供參考和理論依據(jù)。

［1］康紅普，林 健，楊景賀，等.松軟破碎硐室群圍巖應(yīng)力分布及綜合加固技術(shù) ［J］.巖體工程學(xué)報(bào)，2011，33（5）:808－814.

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Reinforcement Technology of Cavern Group under Complex Stress in Wangpo Colliery

JIA Guang-sheng，CHANG Hai-lei
（Shanxi Wangpo Coal Co.，Ltd，Jincheng 048021，China）

Deformation and failure of roadway surrounding rock in Wangpo Colliery was analyzed and load and deformation of caverns group with close distance and dynamic pressure.On the basis of this，roadway reinforcement by grouting was put forward.Industry test was made and reinforcement effect detection showed that deformation in grouting area was small and met safety requirement during service period.

caverns group under complex stress;close distance and dynamic pressure;stability of surrounding rock;reinforcement by grouting

TD354

A

1006-6225（2012）02-0064-05

2011－12－15

賈光勝 （1962－），男，江蘇沛縣人，研究員，碩士生導(dǎo)師，山西天地王坡煤業(yè)有限公司總工程師。

［責(zé)任編輯:王興庫］