忻峪煤礦動壓影響下大巷圍巖控制技術研究與應用

楊勝江

（潞安化工集團潞寧忻峪煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

忻峪煤礦南翼回風大巷井下開口位置在回風斜井265 m 處，北部為南翼膠帶大巷，南部為將要開采的21112、21114 工作面，東部為銜接掘進的南翼回風聯(lián)絡巷，南翼回風大巷采掘平面圖如圖1 所示。2#煤層位于大同組的上部，煤層厚度0.45～2.18 m，平均厚度為0.85 m，均方差為0.096 6，變異系數(shù)為11.3.6%，煤層結構簡單，一般沒有夾矸。2#煤層埋深為0～550 m，井田內(nèi)由東向西埋深逐步變深。

圖1 南翼回風大巷采掘平面圖

2 南翼回風大巷支護及破壞現(xiàn)狀

2#煤層南翼回風大巷埋深344～386 m，采用直墻半圓拱巷道斷面，巷道設計寬度4.6 m，高3.7 m，頂板、兩幫均采用Ф22 mm×2400 mm 左旋全螺紋鋼錨桿，間排距1000 mm×800 mm，頂板和兩幫錨索均采用Ф21.8 mm 的鋼絞線，頂板、幫錨索長度分別為8300 mm、6300 mm，幫錨索間排距1000 mm×3200 mm，頂錨索間排距2000 mm×2400 mm。2016 年投入使用，受到21111（已采）、21113、21110 等數(shù)個工作面的采動影響，在21111（已采）、21113 工作面回采期間，南翼回風大巷頂板出現(xiàn)局部下沉、兩幫內(nèi)移、整體圍巖失穩(wěn)問題，勉強能夠正常使用。在21110 工作面投入生產(chǎn)后，隨著工作面的回采，巷道圍巖破碎、變形更加嚴重，局部巷段兩幫移近量達到 800～1000 mm，底鼓達1200 mm，頂板下沉達500～600 mm，巷道變形破壞速度加快。距21110 工作面越近變形越劇烈，在對應巷段內(nèi)，表面噴層出現(xiàn)大量的開裂，錨桿、錨索出現(xiàn)大量的破斷失效，影響礦井安全高效生產(chǎn)。

3 南翼回風大巷圍巖注漿加固技術研究

2#煤層南翼回風大巷在多個工作面采動影響下巷道表面變形破壞嚴重，多處錨桿、錨索出現(xiàn)失效。為保證礦井的正常安全生產(chǎn)，需對其進行整修。由于該巷道已投入使用多年，圍巖破碎，考慮采用圍巖注漿加固技術改善圍巖的力學性能。為驗證采用注漿加固技術的可行性，采用有限差分程序FLAC3D[1]軟件進行模擬分析，模型依據(jù)南翼采區(qū)地質(zhì)條件建立，根據(jù)巷道及采煤工作面實際尺寸設計模型尺寸為280 m（長）×84 m（高）×20 m（厚）。模型上部邊界距地面平均為550 m，巖層平均容重為25 kN/m3，模型頂面均布載荷13.75 MPa，測壓系數(shù)取1.2。

模擬時首先進行南翼回風大巷、南翼膠帶大巷及南翼軌道大巷的開挖及支護，然后進行21110 工作面的回采，每次推進10 m，停采線距南翼回風大巷80 m。待模型計算平衡后，截取回采工作面中線對應位置南翼回風大巷界面，南翼回風大巷圍巖塑性破壞特征如圖2（a）所示。根據(jù)大量學者研究表明[2-3]，通過巷道圍巖注漿，可改變圍巖的粘聚力、內(nèi)摩擦角、楊氏模量等，故模擬計算巷道5 m 深度范圍內(nèi)圍巖粘聚力分別提高10%、20%、40%時巷道圍巖塑性破壞情況如圖2（b）～（d）。

根據(jù)圖2（a）可知，在未改變巷道圍巖力學參數(shù)條件下，兩幫圍巖塑性破壞深度最大達2.8 m ，頂板3.4 m，底板3.6 m，巷道頂板及兩幫原支護錨桿長度為2.4 m，圍巖破壞深度均大于錨桿有效支護范圍，原有支護無法保障巷道圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)圖2（b）、（c）、（d）模擬結果可以看出，隨著圍巖粘聚力的增大，圍巖塑性破壞范圍呈減小趨勢，當圍巖粘聚力提升40%時，巷道兩幫圍巖塑性破壞深度為2.0 m，頂板1.7 m，底板2.8 m。由此說明，通過圍巖注漿加固技術，可有效減小巷道圍巖塑性破壞范圍，提升圍巖穩(wěn)定性；同時也表明，巷道底板塑性破壞仍較嚴重，需采取合理有效的支護措施控制底板變形。

圖2 不同應力條件下巷道圍巖破壞情況

結合南翼回風大巷圍巖破碎嚴重、裂隙發(fā)育的特點，選用高水速凝材料為注漿液。該注漿材料由甲、乙兩種材料1:1 混合后使用，甲料通過鋁土礦經(jīng)燒制后所剩熟料同復合緩凝分散劑配置而成，乙料由相應比例的石膏、石灰、早強劑配置而成。兩種漿液混合后幾分鐘內(nèi)將形成一定強度的固結物，不同水灰比條件下，所形成固結物具有不同的物理力學性質(zhì)。為滿足南翼回風大巷注漿工程需求，選擇注漿加固材料水灰比為1.5:1。為確定最佳的注漿孔深度，采用現(xiàn)場鉆孔窺視的方法，掌握巷道圍巖的塑性破壞情況，在左右兩幫及頂板分別施工9 m深的窺視鉆孔，典型觀測結果如圖3 所示。頂板巖層3.45 m 深度范圍內(nèi)巖層破碎較嚴重，存在明顯的破碎帶，深度7.71 m 處，存在明顯的環(huán)向裂隙帶。同理，通過鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)，兩幫圍巖明顯破碎巖層的深度為3.2～3.3 m，深度7.6～7.8 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的環(huán)向裂隙帶，結合前文數(shù)值模擬分析結果，確定頂板和兩幫淺部注漿孔深度為3.0 m，深部注漿孔孔深為8.0 m。

圖3 頂板窺視結果

4 返修方案設計

根據(jù)南翼回風大巷現(xiàn)場情況，在完成巷道擴刷、噴漿、錨桿、錨索安裝及巷道表面噴漿加固后，滯后噴漿作業(yè)面約50 m 處完成注漿加固作業(yè)。淺部注漿孔直徑為44 mm，深度為3000 mm，注漿孔間排距1500 mm×3200 mm，頂板和兩幫每排共7 個注漿孔，注漿壓力3.0 MPa，采用直徑為32 mm、長度為3000 mm 的中空錨桿進行注漿，每孔注漿量為0.7～0.8 m3；深部注漿孔直徑為44 mm，深度為8000 mm，間排距1500 mm×3200 mm，每排7 個注漿孔，注漿壓力5.0 MPa，采用直徑為21.8 mm、長度為8000 mm 的中空注漿錨索，每孔注漿量為1.8～2.0 m3。為有效控制巷道底鼓變形，對底板進行反底拱施工，最大開挖深度0.8 m。反底拱施工后，采用直徑為32 mm、長度為3000 mm 的注漿錨桿進行注漿，間排距為1400 mm×2400 mm，注漿參數(shù)同兩幫淺部注漿孔，注漿后反底拱采用廢渣填充壓實。注漿孔布置詳情如圖4。

圖4 南翼回風大巷返修注漿加固方案（mm）

5 南翼回風大巷返修效果

南翼回風大巷返修后，為掌握巷道圍巖變形情況，采用“十字布點法”[4]監(jiān)測其礦壓特征。在21112 工作面（正在回采）對應巷段內(nèi)布置6 個監(jiān)測站，測站間距20 m，整理為期100 d 的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平康淖兓?guī)律如圖5。返修后約80 d 內(nèi)，頂板和兩幫相對移近量逐漸增大且逐漸穩(wěn)定；返修80～100 d 后，頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平炕痉€(wěn)定不變，頂?shù)装逡平孔罱K穩(wěn)定在125 mm 左右，兩幫移近量穩(wěn)定在90～110 mm范圍內(nèi)，巷道圍巖整體穩(wěn)定性良好。采用注漿錨桿+注漿錨索+反底拱聯(lián)合加固技術能夠有效控制南翼回風大巷圍巖的失穩(wěn)變形，保障礦井的正常安全生產(chǎn)。

圖5 南翼回風大巷斷面收斂變化規(guī)律

6 結論

忻峪煤礦2#煤層南翼回風大巷使用期間，在多個工作面采動影響下，巷道表面變形破壞嚴重。通過數(shù)值模擬研究分析表明，采用圍巖注漿加固技術，可有效減小巷道圍巖的塑性破壞范圍，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。通過鉆孔窺視研究表明，巷道頂板和兩幫3.5 m 深度范圍內(nèi)巖層破碎嚴重，7.7 m 深度附近存在明顯的環(huán)向裂隙，故確定淺部注漿孔深度為3.0 m，深部注漿孔深度8.0 m，底板進行反底拱施工?，F(xiàn)場施工后，通過“十字布點法”監(jiān)測表明，返修80 d 后，巷道表面變形速度趨近于0，圍巖整體穩(wěn)定，所設計的注漿加固方案支護效果良好。