二次采動(dòng)條件下巷道圍巖支護(hù)技術(shù)研究

范志明

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048021)

雙巷布置是指部分礦井由于生產(chǎn)需要在工作面一側(cè)布置兩條巷道，其中外側(cè)的巷道在工作面回采后仍然保留做為下一工作面回采巷道使用[1-2]. 該巷道要受到兩次采動(dòng)影響，一是上個(gè)工作面回采期間引起的側(cè)向支承壓力的影響，二是下個(gè)工作面回采期間的超前支承壓力的影響，兩者疊加影響勢(shì)必對(duì)巷道造成一定的破壞[3-4]. 因此，巷道抵御變形破壞的支護(hù)問(wèn)題成為研究重點(diǎn)，現(xiàn)有的支護(hù)技術(shù)一是廣泛采用的外界加固技術(shù)，如棚式支護(hù)、錨網(wǎng)索支護(hù)等，二是改善巷道圍巖本身結(jié)構(gòu)，提高承載能力的支護(hù)技術(shù)，如注漿加固技術(shù)[5]. 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)注漿加固技術(shù)做了大量研究，黃耀光等[6]在研究大埋深巷道圍巖控制技術(shù)中，探索了巷道圍巖塑性破壞機(jī)理，揭示注漿加固對(duì)大埋深巷道圍巖塑性破壞的影響，對(duì)不同注漿方式巷道圍巖變形進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐研究。白璐[7]針對(duì)回采巷道在工作面回采期間發(fā)生的變形破壞、支護(hù)失效等問(wèn)題，以新三礦為工程背景，分析了圍巖破壞原因，提出了注漿加固改善圍巖結(jié)構(gòu)、提高圍巖自身性能，增強(qiáng)承載能力的思路，并運(yùn)用于工程實(shí)踐，取得了良好的效果。

王坡煤礦二采區(qū)采用雙巷布置，預(yù)留的回采巷道將面臨二次動(dòng)壓影響，以往采用的“高強(qiáng)預(yù)緊力錨桿+架棚”支護(hù)效果差，巷道變形嚴(yán)重，探索經(jīng)濟(jì)有效的支護(hù)新技術(shù)對(duì)整個(gè)二采區(qū)安全高效生產(chǎn)意義重大。

1 工作面概況

王坡煤礦位于山西省晉城市澤州縣內(nèi)，主采3#煤層，平均煤厚7.76 m，煤層埋深500～600 m，煤體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，局部含有夾矸，直接頂為約4 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為8.89 m的中砂巖，直接底為2.10 m的泥巖。二采區(qū)3207工作面采用雙巷布置，工作面一側(cè)布置3207回風(fēng)巷和3209運(yùn)輸巷，兩條巷道間距35 m，見(jiàn)圖1. 3209運(yùn)輸巷先服務(wù)于3207工作面，用于抽采3207工作面瓦斯，3207工作面回采結(jié)束后擔(dān)任3209工作面運(yùn)輸任務(wù)。

圖1 3209運(yùn)輸巷位置圖

3209運(yùn)輸巷埋深560 m，斷面形狀為矩形，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 000 m，巷道寬和高分別為5 m、3.4 m，巷道斷面17 m2，初始采用“錨網(wǎng)索+鋼帶”支護(hù)方案，工作面傾向長(zhǎng)度為180 m. 3209運(yùn)輸巷先受到3207工作面回采期間的采動(dòng)影響，后期受到3209工作面回采的影響，在以往的生產(chǎn)實(shí)踐中可知，受二次采動(dòng)影響的巷道最大頂板下沉量680 mm，兩幫相對(duì)移近量595 mm，嚴(yán)重影響了礦井安全高效生產(chǎn)。

2 二次采動(dòng)巷道變形破壞機(jī)理

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)3209運(yùn)輸巷分別受到3207工作面采動(dòng)側(cè)向支承壓力影響以及3209工作面回采超前支承壓力影響進(jìn)行數(shù)值模擬，從巷道圍巖應(yīng)力演化、位移變形及塑性區(qū)角度分析巷道破壞機(jī)理和過(guò)程。該數(shù)值模擬模型以工作面實(shí)際地質(zhì)條件為背景，模型長(zhǎng)300 m×寬220 m×高80 m，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb，模型圖見(jiàn)圖2，共計(jì)705 604個(gè)單位和730 546個(gè)節(jié)點(diǎn)。第一次監(jiān)測(cè)3207工作面回采180 m對(duì)3209運(yùn)輸巷的影響，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在180 m的中間，第二次監(jiān)測(cè)3209工作面回采對(duì)3209運(yùn)輸巷的影響，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在工作面45 m范圍內(nèi)。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

從模擬結(jié)果可知，在3207工作面回采過(guò)程中對(duì)3209運(yùn)輸巷第一次采動(dòng)影響時(shí)，3209運(yùn)輸巷頂板水平應(yīng)力明顯升高，處于應(yīng)力升高區(qū)，最大水平應(yīng)力為23.24 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.79，運(yùn)輸巷煤柱側(cè)和工作面?zhèn)鹊拇怪睉?yīng)力明顯升高，最大值分別達(dá)到19.65 MPa、17.53 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.49、1.35，第一次采動(dòng)影響的頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平恳策_(dá)到了122 mm和242 mm，巷道塑性區(qū)在0～5.6 m，主要發(fā)生塑性剪切破壞。

第二次采動(dòng)影響，即3209工作面回采期間對(duì)3209運(yùn)輸巷的影響，受超前支承壓力作用，巷道頂?shù)装?、兩幫的?yīng)力繼續(xù)增大，煤柱側(cè)和工作面?zhèn)鹊拇怪睉?yīng)力最大值分別達(dá)到21.4 MPa、25.64 MPa，頂板水平應(yīng)力最大值也增大至16.4 MPa，工作面前方39 m范圍內(nèi)巷道均發(fā)生不同程度的變形，其中兩幫、頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大值為560 mm、732 mm，部分模擬結(jié)果見(jiàn)圖3，4.

圖3 第一次采動(dòng)影響部分模擬結(jié)果圖

圖4 第二次采動(dòng)影響部分模擬結(jié)果圖

3209運(yùn)輸巷沿3#煤層底板掘進(jìn)，所采范圍內(nèi)煤層厚度5.9 m，煤體內(nèi)存在較為發(fā)育的節(jié)理裂隙，煤體本身強(qiáng)度不高。從數(shù)值模擬可以看出，錨網(wǎng)索支護(hù)效果不佳的原因?yàn)?209運(yùn)輸巷采用的原錨網(wǎng)索支護(hù)方式，由于受兩次采動(dòng)先后影響，巷道圍巖水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力進(jìn)一步加大，應(yīng)力系數(shù)增大，圍巖體變形甚至破壞，塑性區(qū)逐步擴(kuò)展，工作面?zhèn)葞汀⒚褐鶐?、頂板、底板塑性區(qū)最大擴(kuò)展至5.7 m、5.3 m、6.6 m和7.0 m，塑性區(qū)范圍遠(yuǎn)超過(guò)采用2 400 mm錨桿的錨固范圍，導(dǎo)致錨桿失去錨固作用，支護(hù)效果不佳。

3 注漿加固支護(hù)技術(shù)研究

1) 注漿加固方案研究。

由于巷道圍巖塑性破壞，裂隙比較發(fā)育，根據(jù)斷裂力學(xué)理論可知，在裂隙端部會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致裂隙進(jìn)一步發(fā)育，如何控制和改善圍巖裂隙發(fā)育情況，成為支護(hù)重點(diǎn)，而注漿加固則很好滿足這一點(diǎn)，即通過(guò)在圍巖裂隙注入漿液，填充壓實(shí)裂隙，使圍巖在漿液作用下成為整體，增大了圍巖整體承載能力，消除裂隙端應(yīng)力集中現(xiàn)象[8]. 具體注漿方案如下：巷道頂板和兩幫先采用注漿管進(jìn)行注漿加固，注漿深度3 m，然后對(duì)頂板、兩幫采用注漿錨索加固，深度分別為7 m和6 m. 注漿孔布置如下：頂板注漿孔布置方式為“2-3-2”，間距和排距分別為1 500 mm和1 000 mm，2個(gè)淺部注漿孔距左右兩幫1 700 mm，3個(gè)注漿錨索距兩幫1 000 mm；兩幫采用間隔布置注漿，排距和間距分別為 1 000 mm、1 800 mm，均垂直巷幫布置。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)原支護(hù)方案和增加注漿加固方案進(jìn)行數(shù)值模擬，從應(yīng)力分布、塑性區(qū)情況和位移變化等角度比較兩者圍巖變形情況。

從模擬結(jié)果可知：a) 垂直應(yīng)力情況。初始支護(hù)方案和注漿加固支護(hù)方案條件下，工作面?zhèn)让后w支撐壓力分布情況一致，分別為26.52 MPa和28.70 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.1和2.15，煤柱側(cè)煤體的支撐壓力分別為26.4 MPa和30.26 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.1和2.26，支撐壓力的應(yīng)力峰值位置分別為5.6 m和4.9 m，說(shuō)明注漿后改善了圍巖應(yīng)力分布。b) 水平應(yīng)力分布。兩種方案模擬水平應(yīng)力分布情況，初始支護(hù)條件頂板水平應(yīng)力最大值40 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域大，注漿加固后頂板水平應(yīng)力最大值32 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域小，且應(yīng)力分布比較均勻。c) 垂直位移和水平位移情況。原支護(hù)條件下圍巖出現(xiàn)了頂板下沉、底鼓的情況，頂?shù)装遄畲笞冃瘟?75 mm，采用注漿加固方案后頂?shù)装遄畲笞冃瘟?85 mm，下沉量下降了57%；巷道兩幫在應(yīng)力作用下出現(xiàn)了不同程度的變形，距工作面前方0～6 m，兩幫移近量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大值為589 mm，注漿加固后兩幫最大值僅為230 mm，兩幫相對(duì)移近量下降39%. d) 塑性區(qū)范圍。原支護(hù)條件下塑性區(qū)范圍較大，工作面?zhèn)葞?、煤柱幫、頂板、底板塑性區(qū)最大擴(kuò)展至5.7 m、5.3 m、6.6 m和7.0 m，注漿加固后工作面?zhèn)葞?、煤柱幫、頂板、底板塑性區(qū)最大擴(kuò)展至5.5 m、4.4 m、3.0 m和6.2 m.

2) 注漿工藝。

注漿材料選擇。頂板采用化學(xué)改性水泥漿，兩幫使用水泥基無(wú)機(jī)注漿材料。a) 化學(xué)改性水泥漿采用普通硅酸鹽水泥，并添加水玻璃和漿液黏結(jié)改性液改善漿液流動(dòng)性和黏結(jié)力。材料配比如下：水灰比為0.6∶1～1∶1，根據(jù)實(shí)際情況再做小范圍調(diào)整。水泥-水玻璃配比為水玻璃濃度40°Bé左右，模數(shù)3.0，每100 kg使用水玻璃3.0～3.4. 水泥漿黏結(jié)改性液的作用是降低水泥漿固結(jié)體的脆性，提高漿液與破碎煤巖體的黏結(jié)力，主要由“TDDS 103”改性而成，在施工過(guò)程中其用量一般為水泥總重的0.1～0.2. b) 水泥基無(wú)機(jī)注漿材料也是用普通硅酸鹽水泥配合水泥注漿添加劑XPM. 材料配比如下：水灰比為0.7∶1～1∶1. 添加劑配比一般占水泥重量的0.07～0.1. 水泥-水玻璃配比為水玻璃濃度40°Bé左右，模數(shù)3.0，每100 kg使用水玻璃3.0～3.4.

注漿時(shí)機(jī)的選擇。由于巷道圍巖受到的二次采動(dòng)影響存在時(shí)間差，在摸清圍巖隨時(shí)間推移而變化的規(guī)律基礎(chǔ)上，選擇最佳的注漿時(shí)機(jī)，即在工作面前方130 m進(jìn)行圍巖淺部注漿，注漿完成后在工作面前方70 m處進(jìn)行深部注漿，此時(shí)由于圍巖較為完整，能承載較大的超前支承壓力。

注漿壓力確定。注漿壓力與圍巖破碎情況、漿液性能、圍巖應(yīng)力分布等有直接關(guān)系，在結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件下，對(duì)淺部注漿和深部注漿壓力分別研究。在淺部注漿時(shí)為了避免注漿壓力過(guò)大造成漏漿跑漿情況，嚴(yán)格控制注漿壓力在1 MPa左右，若圍巖較為破碎，可適當(dāng)減小注漿壓力，反之則適當(dāng)增大。深部注漿時(shí)由于兩幫為煤體，頂板為巖體，其封孔效果和圍巖性質(zhì)等存在差異，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，兩幫深部注漿壓力控制在2～2.5 MPa，頂板深部注漿壓力控制在4～6 MPa.

注漿孔封孔長(zhǎng)度確定。根據(jù)巷道地質(zhì)條件，借鑒封孔經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)保證封孔質(zhì)量，注漿口封孔要求為淺部注漿封孔尺寸大于1 100 mm，深部注漿封孔尺寸不小于1 600 mm. 注漿工藝見(jiàn)圖5.

圖5 注漿工藝流程圖

3) 工業(yè)性試驗(yàn)。

為驗(yàn)證注漿方案的合理性，在3209運(yùn)輸巷中選擇合適位置進(jìn)行注漿加固試驗(yàn)100 m，并對(duì)注漿試驗(yàn)段加固效果和未注漿加固巷道礦壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容為頂板離層監(jiān)測(cè)和巷道圍巖變形量。監(jiān)測(cè)測(cè)站共布置10個(gè)，監(jiān)測(cè)位置距3209開(kāi)切眼200 m為第一個(gè)測(cè)站，每隔20 m布置新的測(cè)站，其中注漿段監(jiān)測(cè)站10個(gè)，未注漿段監(jiān)測(cè)站10個(gè)，采用LBY-3頂板離層儀布置在每個(gè)測(cè)站。

監(jiān)測(cè)過(guò)程及結(jié)果如下：a) 巷道頂板離層情況。每天定時(shí)對(duì)頂板離層儀進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，通過(guò)在3月10日—5月10日兩個(gè)月的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，注漿加固后深基點(diǎn)最大離層92 mm，在未注漿段的巷道圍巖變形中，深基點(diǎn)最大離層202 mm. b) 巷道圍巖變形情況。通過(guò)“十”字交叉法，在巷道測(cè)站位置的頂板、底板、兩幫分別布置測(cè)點(diǎn)，定時(shí)對(duì)水平方向和垂直方向各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)移近量進(jìn)行測(cè)量，可反映出巷道圍巖頂?shù)装?、兩幫的變形情況。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)處理可知，在未注漿段的巷道圍巖變形中，頂?shù)装遄畲笞冃瘟?84 mm，兩幫最大變形量594 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的原始支護(hù)條件下圍巖變形情況與數(shù)值模擬結(jié)果相近，注漿加固后頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笞冃瘟糠謩e為360 mm和246 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果一致，注漿后頂?shù)装遄畲笞冃瘟亢蛢蓭妥畲笞冃瘟肯陆?2%和41%，說(shuō)明圍巖注漿后圍巖控制變形效果良好。

4 結(jié) 論

王坡煤礦3209運(yùn)輸巷分別受側(cè)向支承壓力和超前支承壓力影響，造成圍巖變形嚴(yán)重，而原錨網(wǎng)索支護(hù)效果差，從圍巖破壞機(jī)理分析入手，分析了注漿加固支護(hù)適用性，并提出“淺孔+深孔”層次注漿加固技術(shù)。在3209運(yùn)輸巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)100 m，對(duì)頂板離層和巷道圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究結(jié)果表明，頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笞冃瘟糠謩e為360 mm和246 mm，與原支護(hù)條件下巷道圍巖變形量相比大幅下降，這說(shuō)明“淺孔+深孔”層次注漿加固技術(shù)效果顯著，為王坡煤礦二采區(qū)甚至其他相同條件下巷道圍巖支護(hù)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。