辛置煤礦采空側(cè)高應(yīng)力巷道加固技術(shù)應(yīng)用研究

劉建鋒

(霍州煤電集團(tuán)云廈建筑工程公司 白龍礦建分公司，山西 霍州 031400)

1 工程概況

山西焦煤集團(tuán)公司辛置煤礦地表位于洪洞縣境內(nèi)，目前主采2號(hào)煤層，煤層均厚4.1 m，現(xiàn)階段主要進(jìn)行二采區(qū)的采掘和生產(chǎn)，2-216綜采工作面井下相對(duì)位置在東北面鄰近二采區(qū)集中軌道巷，東面為2-214回采工作面，區(qū)段煤柱寬度為20 m，其余方向無任何工作面，工作面沿頂?shù)装甯蠲骸?-216運(yùn)輸巷采用沿空掘巷布置方式，與2-214工作面回風(fēng)巷間區(qū)段煤柱寬度為20 m，掘巷階段表面出現(xiàn)明顯的變形破壞，無法滿足工作面安全生產(chǎn)的斷面要求，現(xiàn)就其加固方案進(jìn)行研究。

2 采空側(cè)高應(yīng)力巷道圍巖破壞特征研究

2.1 建立數(shù)值模型

辛置煤礦2-216運(yùn)輸巷緊鄰2-214工作面采空區(qū)掘巷，在2-214工作面回采完成后，采空區(qū)頂板圍巖穩(wěn)定后再開挖2-216運(yùn)輸巷，沿空巷道一側(cè)為鄰近工作面采空區(qū)，區(qū)段護(hù)巷煤柱寬度20 m，另一側(cè)為接替工作面的實(shí)體煤，為研究沿空巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力分布及圍巖破壞情況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立圖1(a)所示模型，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)[1]。模擬方案及邊界條件示意圖如圖1(b)所示。

圖1 數(shù)值模型及模擬方案示意

2.2 采空側(cè)高應(yīng)力巷道破壞機(jī)理研究

鄰近工作面開挖完成后，進(jìn)行沿空巷道的開挖支護(hù)，待模型計(jì)算平衡后，在巷道長(zhǎng)度方向中部沿垂直取切面，得到巷道周邊煤巖體內(nèi)垂直應(yīng)力變化規(guī)律如圖2(a)所示，圍巖塑性破壞特征如圖2(b)所示。根據(jù)圖2所示結(jié)果可以看出，根據(jù)圖中應(yīng)力分布可知，在巖層開挖形成巷道的過程中，巷道正上方寬度范圍內(nèi)垂直應(yīng)力變?yōu)榱?，巷道上方巖層的載荷向兩側(cè)煤巖體內(nèi)轉(zhuǎn)移，在距煤幫表面一定深度范圍內(nèi)應(yīng)力達(dá)到峰值，煤柱側(cè)應(yīng)力峰值顯著高于實(shí)體煤側(cè)，煤柱側(cè)應(yīng)力峰值達(dá)到49.3 MPa，實(shí)體煤壁一側(cè)應(yīng)力峰值為24.5 MPa。由圖2(b)可以看出，掘巷后巷道圍巖均出現(xiàn)大范圍的塑性破壞，沿空巷道左幫實(shí)體煤側(cè)塑性破壞最大深度2.5 m，右?guī)兔褐鶄?cè)最大破壞深度3.4 m，頂板和底板塑性破壞主要沿著肩角和底角方向，靠近采空區(qū)側(cè)煤幫及頂板塑性破壞深度和范圍明顯大于實(shí)體煤一側(cè)，呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性，塑性破壞深度已超出錨桿、錨索的有效加固范圍，采用中空注漿錨索加固是較好的途徑。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

3 圍巖漿液擴(kuò)散規(guī)律數(shù)值模擬分析

為了研究采用中空注漿錨索加固時(shí)漿液流動(dòng)形態(tài)、擴(kuò)散半徑與注漿壓力、巖層滲透率之間的規(guī)律，采用FLAC3D軟件建立放射狀柱體數(shù)值模型[2]，模型中部模型采用放射狀網(wǎng)格劃分，注漿孔設(shè)置在模型放射網(wǎng)格中心，鉆孔直徑32 mm，圓柱體外環(huán)繞放射狀網(wǎng)格尺寸為6 m×6 m，外放環(huán)數(shù)14，比率為1.2，模型長(zhǎng)度為10 m。通過單一因素法探究注漿壓力及注漿時(shí)間對(duì)漿液擴(kuò)散特征的影響。

3.1 漿液擴(kuò)散與注漿壓力之間的規(guī)律

注漿壓力是影響圍巖加固效果的關(guān)鍵因素，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地應(yīng)用時(shí)可通過調(diào)節(jié)注漿壓力獲取最佳的注漿效果，結(jié)合國(guó)內(nèi)類似地質(zhì)條件下圍巖注漿加固應(yīng)用案例[3-4]，初步設(shè)計(jì)注漿壓力為1～7 MPa，通過數(shù)值模擬研究不同注漿壓力條件下注漿30 s漿液的擴(kuò)散規(guī)律，漿液在注漿壓力作用下滲流進(jìn)入周圍巖體，整理得到漿液壓力隨著與鉆孔中心距離的變化規(guī)律如圖3所示。隨著向鉆孔圍巖滲流范圍的增大漿液壓力逐漸衰減，衰減為零的范圍即為注漿半徑，隨著注漿壓力由1.0 MPa增大至7.0 MPa，漿液擴(kuò)散半徑由1.0 m增大至1.5 m，當(dāng)漿液壓力為3～5 MPa時(shí)，漿液擴(kuò)散半徑已達(dá)到1.4～1.5 m，注漿壓力繼續(xù)增大至7 MPa漿液擴(kuò)散半徑并為繼續(xù)增大，因此，確定合理注漿壓力應(yīng)為3～5 MPa。

圖3 漿液壓力與擴(kuò)散半徑規(guī)律

3.2 漿液擴(kuò)散與注漿時(shí)間之間的規(guī)律

漿液擴(kuò)散半徑隨著注漿時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示，注漿時(shí)間增加前期，漿液擴(kuò)散半徑快速增加，注漿時(shí)間為5 s時(shí)，漿液擴(kuò)散半徑為0.7 m，注漿時(shí)間為20 s時(shí)，漿液擴(kuò)散半徑為1.3 m，15 s內(nèi)漿液擴(kuò)散半徑增加了85.7%；注漿時(shí)間增加后期，漿液擴(kuò)散半徑增加速度減小，注漿時(shí)間由30 s繼續(xù)增大至50 m，漿液擴(kuò)散半徑僅增加了10%，由此說明注漿時(shí)間大于30 s即可取得良好的注漿效果，確定最佳的注漿時(shí)間為30～50 s。

圖4 不同注漿時(shí)間下數(shù)值模擬結(jié)果

4 中空注漿錨索加固方案

結(jié)合上述數(shù)值模擬研究及理論分析成果，設(shè)計(jì)對(duì)2-216運(yùn)輸巷進(jìn)行中空注漿錨索加固，注漿錨索具有實(shí)現(xiàn)小孔徑、大噸位、施工安全便利等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)錨注一體、全長(zhǎng)錨固、抗腐蝕、強(qiáng)度高、柔性好、錨固力強(qiáng)等功能，本次工程試驗(yàn)選擇D22 mm×7 200 mm和D22 mm×4 800 mm兩種規(guī)格。加固方案如下：頂板布置兩根中空注漿錨索，距巷幫300 mm，錨索鉆孔深度7 000 mm，錨索規(guī)格D22 mm×7 200 mm，注漿錨索布置在原有錨桿、錨索之間，排距0.7 m。煤柱幫：設(shè)置一根規(guī)格D22 mm×4 800 mm中空注漿錨索，上下交替布置，排距0.7 m，布置在幫補(bǔ)腰線以上時(shí)距頂板800 mm，布置在腰線以下時(shí)距離巷道底板600 mm，靠近上部時(shí)沿水平方向布置，靠近底板時(shí)向下傾斜30°布置，詳細(xì)加固方案見圖5所示。在2-216工作面回采前，采用ZBQS-8.0/12.0型氣動(dòng)注漿泵對(duì)運(yùn)輸巷頂板及煤柱幫進(jìn)行加固，注漿材料采用錨注劑。

圖5 中空注漿錨索加固方案(mm)

5 應(yīng)用效果

5.1 巷道變形規(guī)律

以錨注加固區(qū)域前測(cè)站1、錨注加固區(qū)初始段測(cè)站4、錨注加固區(qū)中間段測(cè)站8和測(cè)站9四個(gè)不同階段的測(cè)站作為研究對(duì)象，取每個(gè)測(cè)站內(nèi)兩個(gè)測(cè)面監(jiān)測(cè)的平均值作為最終值，各測(cè)站巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平孔兓€如圖6所示。測(cè)站8～9平均頂?shù)装逡平?80 mm，測(cè)站4頂?shù)装逡平? 024 mm，與錨注加固區(qū)外1號(hào)測(cè)站頂?shù)装逡平? 125 mm相比，分別減少了21.8%和9.0%；測(cè)站8～9平均兩幫移近量1 064 mm，測(cè)站4兩幫移近量1 194 mm，與錨注加固區(qū)外1號(hào)測(cè)站兩幫移近量1 357 mm相比，分別減少了21.6%和12.0%；綜上表明，注漿加固后巷道表面變形量在合理可控范圍內(nèi)，能夠滿足工作面生產(chǎn)要求。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

5.2 巷道頂板錨索受力

根據(jù)各測(cè)站內(nèi)錨桿(索)測(cè)力儀所測(cè)數(shù)據(jù)，取每個(gè)測(cè)站內(nèi)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的平均值作為最終值，各測(cè)站錨索受力變化曲線如圖7所示。受采動(dòng)影響初期，錨索受力平緩增加，有效控制了巷道圍巖初期的離層、滑動(dòng)等擴(kuò)容現(xiàn)象；錨注加固區(qū)域中間段測(cè)站8～9處所測(cè)錨索受力平均為325 kN，錨注加固初始段測(cè)站4處所測(cè)錨索受力平均為295.3 kN，與錨注加固區(qū)外1號(hào)測(cè)站錨索受力284.8 kN相比，分別增大了12.3%和3.6%能夠真實(shí)反映出錨固支護(hù)效果。當(dāng)錨索處于超前支撐應(yīng)力增高區(qū)時(shí)，錨索受力快速增加，受力越大說明錨固效果越好，錨索的作用發(fā)揮越充分。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，錨注支護(hù)范圍內(nèi)錨索所受載荷大于未錨注區(qū)域，說明錨注加固不僅能夠增強(qiáng)圍巖的完整性，而且能使錨索更有效錨固在巖體中，使其充分發(fā)揮懸吊等作用。

圖7 錨索受力曲線

6 結(jié) 語

結(jié)合辛置煤礦2-216運(yùn)輸巷沿空掘巷的具體地質(zhì)條件，通過數(shù)值軟件探究沿空巷道塑性破壞和漿液擴(kuò)散特征，并通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)及礦壓監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)中空注漿錨索應(yīng)用效果，結(jié)果表明：

1) 2-216運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間兩側(cè)圍巖受力不均勻，采空區(qū)側(cè)煤柱幫及頂?shù)装鍑鷰r塑性破壞程度顯著高于實(shí)體煤側(cè)，圍巖塑性破壞范圍已超出錨桿、錨索的有效支護(hù)能力。

2) 采用中空注漿錨索對(duì)圍巖進(jìn)行加固，合理注漿壓力為3～5 MPa，注漿時(shí)間為30～50 s。

3) 工程實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，錨注加固后圍巖變形量減小20%以上，頂板錨索承載力現(xiàn)在增大，巷道圍巖整體穩(wěn)定，保障了工作面的安全高效生產(chǎn)。