華陽一礦過采空區(qū)巷道圍巖控制技術(shù)

段振雄

(山西華陽集團(tuán) 新能股份有限公司一礦，山西 陽泉 045000)

我國(guó)煤礦賦存條件較為復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)在采空區(qū)下部進(jìn)行采掘活動(dòng)，受采空區(qū)的影響，下位巷道的圍巖變形破壞較為嚴(yán)重，維護(hù)困難，且隨著煤層開采深度的增加，垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力逐漸增大，進(jìn)一步加劇了下位巷道的變形破壞，傳統(tǒng)的被動(dòng)支護(hù)已無法保證巷道的穩(wěn)定性，因此，考慮采用主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)，對(duì)于采空區(qū)下回采巷道的圍巖維護(hù)具有重要意義[1-3]。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

華陽一礦現(xiàn)主采15號(hào)煤層，煤層厚度6.75～6.50 m，平均6.63 m，煤層平均傾角4°，煤層硬度為2.0，節(jié)理裂隙較為發(fā)育。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

目前正在掘進(jìn)8412進(jìn)風(fēng)巷，平均埋深為450 m，主要服務(wù)于8412工作面回采，用作進(jìn)風(fēng)、運(yùn)煤、行人、進(jìn)料等。8412進(jìn)風(fēng)巷為沿15號(hào)煤層底板掘進(jìn)的煤巷，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為703 m，為矩形斷面，凈寬為5.6 m，凈高為3.5 m，凈斷面為19.25 m2，目前的支護(hù)方式為“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)。

8412進(jìn)風(fēng)巷上方有三礦3號(hào)煤層71602工作面采空區(qū)，巷道位于采空區(qū)中部正下方，平均層間距為60 m，導(dǎo)致巷道在掘進(jìn)過程中礦壓較大，圍巖破碎，需加強(qiáng)頂板支護(hù)與兩幫管理。

1.2 巷道變形特征

受上方3號(hào)煤層采空區(qū)的影響，8412進(jìn)風(fēng)巷在掘進(jìn)期間圍巖變形破壞嚴(yán)重，維護(hù)困難。通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，8412進(jìn)風(fēng)巷頂板有整體下沉的趨勢(shì)，且出現(xiàn)較大范圍的碎矸網(wǎng)兜，巷道兩幫出現(xiàn)不同程度的片幫。另外，在礦壓作用下，后巷底板隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，變形量大幅度增大，其底鼓量甚至超過了頂板及兩幫的變形量。通過現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可知(圖1)，8412進(jìn)風(fēng)巷在掘進(jìn)10 d后變形量增幅較大，并在25 d后逐漸趨于穩(wěn)定，其中巷道頂板最大下沉量為428 mm，兩幫最大移近量為314 mm，最大底鼓量達(dá)到了557 mm.巷道整體變形量較大，且穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，現(xiàn)支護(hù)方案無法保證巷道的穩(wěn)定性，因此，需對(duì)支護(hù)方式及支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 原支護(hù)下巷道圍巖變形曲線

2 巷道圍巖控制技術(shù)

根據(jù)8412進(jìn)風(fēng)巷的變形破壞特征，考慮采用“注漿+錨桿索+金屬網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)方案進(jìn)行圍巖控制。

2.1 注漿方案

對(duì)于采空區(qū)下回采巷道來說，其所處的地應(yīng)力環(huán)境較復(fù)雜，巷道開挖后，煤巖體在復(fù)雜高應(yīng)力作用下發(fā)生拉伸塑性破壞，導(dǎo)致巷道逐漸失穩(wěn)[4]。對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固后，淺部破碎圍巖在漿液的膠結(jié)作用下完整性和強(qiáng)度得到了提高，而且深部圍巖的節(jié)理裂隙也會(huì)被漿液充填，形成完整的骨架支撐，大大提高了巷道的穩(wěn)定性；另一方面，圍巖在注漿加固的作用下不會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，避免了錨桿索受較高的剪切應(yīng)力而失效，進(jìn)一步增強(qiáng)了圍巖承載能力。

1) 注漿材料。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，確定采用水泥砂漿作為注漿材料，其特點(diǎn)是顆粒小、流動(dòng)性較強(qiáng)且凝結(jié)后強(qiáng)度較高，能夠有效填補(bǔ)圍巖裂隙，并提高軟巖的力學(xué)強(qiáng)度。

2) 注漿鉆孔布置參數(shù)。在掘進(jìn)面迎頭共布置12個(gè)鉆孔，其中1～5號(hào)鉆孔為1排，距頂板250 mm，1號(hào)及5號(hào)鉆孔與巷道兩幫的距離分別為300 mm，鉆孔間距為1 250 mm；6號(hào)、7號(hào)鉆孔為一排，2個(gè)鉆孔分別距巷道兩幫300 mm處施工，鉆孔橫向間距5 000 mm，縱向距上排鉆孔1 500 mm；9～12號(hào)鉆孔為一排，與上一排鉆孔縱向間距為1 500 mm，距巷道底板250 mm，其中10號(hào)與11號(hào)鉆孔橫向間距為2 500 mm；9號(hào)鉆孔距巷道左幫300 mm，與10號(hào)鉆孔間距為1 250 mm；12號(hào)鉆孔距巷道右?guī)?00 mm，與11號(hào)鉆孔間距為1 250 mm.12組鉆孔的直徑均為42 mm.具體布置方案如圖2所示。

圖2 注漿鉆孔布置方案(mm)

3) 注漿參數(shù)。8412進(jìn)風(fēng)巷埋深為382～432 m，根據(jù)注漿層位深度，并漿液粘度變化造成注漿壓力減小等問題，選取注漿壓力為12 MPa，漿液流量為20 L/min.

4) 鉆孔深度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)效果，確定注漿鉆孔深度為10 m，并采用前進(jìn)分段循環(huán)注漿的方式進(jìn)行施工，每循環(huán)注漿加固長(zhǎng)度為10 m.

2.2 聯(lián)合支護(hù)方案

1) 頂板支護(hù)。頂板采用“W鋼帶+錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)。鋼帶使用“BHW-1040-280-4-5600 mm”的6眼W鋼帶，每排布置6根錨索，排距900 mm，間距1 040 mm.錨索使用不小于D21.6 mm×7 200 mm的鋼絞線(斜切頭)，錨索托板使用300 mm×270 mm×14 mm的W型托板及配套調(diào)心球墊。藥卷使用MS雙速23-120型樹脂錨固劑；頂網(wǎng)使用6 500 mm×1 200 mm的金屬網(wǎng)布置。

頂板破碎無法使用鋼帶時(shí)，采用“單體錨索+雙層金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，每排布置7根錨索。排距800 mm，間距800 mm.錨索使用不小于D21.6 mm×7 200 mm的鋼絞線(斜切頭), 錨索托板采用長(zhǎng)800 mm的14號(hào)槽鋼+300 mm×300 mm×12 mm的大墊片200 mm×95 mm×12 mm的小墊片，藥卷使用MS雙速23-120的樹脂錨固劑。頂網(wǎng)使用6 500 mm×1 200 mm的金屬網(wǎng)。

2) 巷幫支護(hù)。采用“錨桿+經(jīng)緯金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，每排每幫布置4根錨桿，排距900 mm，錨桿間距從頂板至底板為：400/900/900/900/500 mm.錨桿使用D20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿托板使用450 mm×280 mm×4 mm的W型托板+150 mm×150 mm×10 mm拱形托板及配套調(diào)心球墊和尼龍墊圈。鉆孔直徑為32 mm時(shí)，藥卷使用MSK28-60型樹脂錨固劑；鉆孔直徑為27 mm時(shí)，藥卷使用MSK23-60型樹脂錨固劑。幫網(wǎng)使用6 500 mm×1 200 mm的金屬網(wǎng)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 建立模型

為分析注漿加固對(duì)巷道圍巖的控制效果，根據(jù)華陽一礦8412進(jìn)風(fēng)巷的實(shí)際賦存條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=100 m×70 m×50 m.根據(jù)工作面埋深，在模型頂部施加7.6 MPa的垂直應(yīng)力以模擬覆巖壓力，側(cè)壓系數(shù)為1.1.通過邊界條件約束模型四周的水平位移及底部的垂直位移。計(jì)算時(shí)，煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)按表2進(jìn)行參賦。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

圖3為巷道在無支護(hù)及注漿聯(lián)合支護(hù)下的圍巖垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力分布云圖，由圖3(a)、圖3(b)可知，巷道由無支護(hù)到聯(lián)合支護(hù)轉(zhuǎn)變過程中，巷道兩幫的應(yīng)力集中范圍大幅縮小，且兩幫應(yīng)力值增大，頂板的應(yīng)力降低程度得到明顯改善；由圖3(c)、圖3(d)可知，巷道在無支護(hù)時(shí)的水平應(yīng)力集中范圍大，且應(yīng)力值也偏高，加速了圍巖的變形失穩(wěn)，而在注漿聯(lián)合支護(hù)下，水平應(yīng)力僅在巷道頂板上方圍巖小范圍集中，且應(yīng)力值也降低，圍巖控制效果較好。

圖3 不同支護(hù)方案下的應(yīng)力分布云圖

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

為驗(yàn)證注漿加固聯(lián)合支護(hù)方案的合理性、有效性，在8412進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)圍巖的變形情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 聯(lián)合支護(hù)下巷道圍巖變形

由圖4可知，巷道在支護(hù)初期(支護(hù)后21 d內(nèi))的變形速率較大；在支護(hù)后21～57 d，圍巖變形進(jìn)入緩和階段；在支護(hù)57 d后，圍巖變形基本處于穩(wěn)定階段。其中，巷道頂板最大下沉量為28 mm，最大底鼓量為40 mm，左幫最大移近量為25 mm，右?guī)妥畲笠平繛?1 mm，整體變形量較小，表明該方案能夠保證巷道穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

1) 通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得出采空區(qū)下8412進(jìn)風(fēng)巷的變形破壞特征，提出了“注漿+錨桿索+金屬網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)方案，并明確了注漿加固及巷道支護(hù)的具體參數(shù)。

2) 通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了無支護(hù)及聯(lián)合支護(hù)下巷道圍巖的應(yīng)力分布特征，結(jié)果表明：聯(lián)合支護(hù)后的巷道圍巖垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力集中范圍大幅度縮小，能夠有效控制圍巖變形。

3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明，注漿聯(lián)合支護(hù)后的巷道，頂板最大下沉量為28 mm，最大底鼓量為40 mm，左幫最大移近量為25 mm，右?guī)妥畲笠平繛?1 mm，整體變形量較小，滿足礦井安全高效生產(chǎn)需求。