新景煤礦15#煤西翼軌道大巷加固技術應用研究

潘智虎

（山西新景礦煤業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

華陽智礦新景公司蘆北15#煤采區(qū)西翼軌道大巷沿煤底板留頂煤掘進，15#煤層結構復雜，常發(fā)育有兩層夾石，煤層厚度5.85～6.99/6.42 m，西翼軌道大巷巷道圍巖類別為Ⅳ類，頂板、兩幫全部為煤層，采用斜墻半圓拱形斷面，掘寬×掘高=5600 mm×5000 mm，巷道北側為15026 綜放工作面。工作面末采階段，對應區(qū)域的西翼軌道大巷表面出現(xiàn)明顯的變形特征，變形嚴重巷段位置詳情如圖1 所示。從西翼主運膠帶機大巷4#聯(lián)巷口處開始，嚴重變形段總長度約550 m。根據(jù)西翼軌道大巷現(xiàn)場破壞現(xiàn)狀及大巷圍巖破壞特征數(shù)值模擬分析結果，設計采用注漿技術對大巷圍巖進行加固。

圖1 西翼軌道大巷位置詳情

2 巷道現(xiàn)有支護及圍巖破壞現(xiàn)狀分析

西翼軌道大巷頂板及兩幫均采用錨網索聯(lián)合支護，錨桿直徑22 mm、長度2.5 m，頂板每排9 根，兩幫每排6 根，間排距為0.8 m，同排錨桿間采用直徑12 mm 圓鋼制作的“H”型鋼梁聯(lián)合加固。錨索直徑21.8 mm、長度6.2 m，頂板每排5 根，兩幫每排6 根，同排錨索間距為1.2 m，排距為錨桿的兩倍，錨索間采用“H”型鋼梁聯(lián)合支護，護表金屬網規(guī)格Φ6 mm×1000 mm×2000 mm。巷道表面噴層厚度約5 cm，材料為P.C32.5 水泥混凝土漿液。

經過對西翼軌道大巷現(xiàn)場調研，變形破壞特征如下：1）頂板：頂部表面噴層存在明顯的分層脫離現(xiàn)象，噴層表面裂縫沿著大巷軸線方向不斷延伸，頂板彎曲下沉特征明顯，錨桿、錨索普遍存在彎曲、橫向錯動；2）兩幫：多處出現(xiàn)明顯不均勻的破碎和內側鼓出，底角破碎變形最為明顯，幫中破壞形式以剪脹破壞為主，斜墻段噴漿層多處出現(xiàn)脫落，金屬網外露；3）底板：底板變形持續(xù)時間長，部分區(qū)段底鼓較為嚴重，影響巷道正常運輸功能。

3 大巷圍巖破壞特征模擬分析

為探究西翼軌道大巷圍巖破壞機理，以該巷道工作面地質條件及支護方案為基礎，采用FLAC3D軟件構建三維數(shù)值模型[1-2]，模擬采用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則。模型建立完成后開始運算，運算平衡的條件為最大不平衡力達到1×10-5MPa，得到初始應力場后，進行西翼軌道大巷的開挖，首先進行無支護條件下的開挖，然后進行錨網索支護條件下的開挖，給出支護前后巷道圍巖塑性區(qū)模擬結果如圖2。

圖2 巷道圍巖塑性破壞區(qū)分布

由圖2 可以看出，無支護條件下，頂板破壞深度最大值為4.5 m，兩幫水平方向破壞深度最大值為5.5 m，底板塑性破壞深度較大，最深處達到5.0 m。無支護條件下，巷道圍巖松散破碎嚴重，表面劇烈變形破壞，兩幫移近量達848 mm，底鼓量達473 mm。錨網索支護條件下，大巷頂板及兩幫圍巖塑性破壞程度明顯降低，頂板、兩幫圍巖破壞深度分別為3.0 m、2.5 m，相對于無支護條件下減小幅度分別為33.3%、54.5%；兩幫移近量為575 mm，比支護前減小32.2%；底板塑性破壞深度仍達到5.0 m，相對于支護前并無明顯變化；底鼓量為689 mm，比支護前增大45.7%。

4 注漿加固方案和加固效果模擬研究

根據(jù)西翼軌道大巷現(xiàn)場破壞現(xiàn)狀及數(shù)值模擬分析結果可知，現(xiàn)有條件下圍巖變形原因主要有以下幾方面：1）巷道埋深大、圍巖強度低。巷道布置在15#煤層中，埋深為570～600 m，巷道頂板、兩幫為煤體，圍巖強度低、應力大，圍巖破碎嚴重；2）原支護方案支護強度不足[3-4]。錨網索支護雖然一定程度上降低了圍巖的破壞程度，但是圍巖變形破壞范圍仍較大，頂板及兩幫破壞深度已超出錨桿的加固范圍，且底板未采取有效支護措施，底板破碎及底鼓變形嚴重?；谖饕碥壍来笙飮鷰r破壞特征，提出通過注漿技術進行加固。為分析注漿加固后大巷圍巖的變形規(guī)律，采用上文所述數(shù)值模型進行模擬研究。設計注漿范圍為距巷道表面深度0～6 m 范圍內，注漿材料采用普通425 硅酸鹽水泥漿，得到注漿加固后大巷圍巖塑性破壞特征及表面位移量變化規(guī)律如圖3。

圖3 注漿加固后數(shù)值模擬分析結果

圖3（a）為大巷圍巖塑性區(qū)分布模擬結果，頂板、兩幫、底板塑性破壞深度最大值均為1.0 m，相對于原支護條件下分別減小66.7%、60.0%、80.0%，圍巖塑性破壞范圍顯著減?。粓D3（b）為圍巖變形量隨著深度的變化規(guī)律，圍巖變形量隨著與巷道表面距離的增大不斷減小，約在深度7 m 處位移量減小為零，巷道頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別為91 mm、158 mm、75 mm，較原錨網索支護分別減小76.4%、72.5%、89.1%。由此說明，注漿加固可改善大巷圍巖的塑性破壞狀態(tài)，降低大巷表面的位移變形，提高圍巖物理力學性能和承載能力，取得良好的圍巖控制效果。

5 注漿加固方案及應用效果

5.1 注漿加固方案

結合前文數(shù)值模擬研究成果，設計西翼軌道大巷采用注漿錨桿、錨索深淺聯(lián)合注漿加固技術。淺部注漿參數(shù)：注漿錨桿直徑22 mm、長度2.5 m，每排布置11 根（頂板5 根、兩幫4 根、底板2 根），排距為1.0 m；深部注漿：注漿錨索直徑21.8 mm、長度6.2 m，每排布置12 根（頂板5 根、兩幫4 根、底板3 根），頂板和兩幫布置間距為1.2 m，底板兩根布置間距1.8 m，排距為1.0 m；漿液由P.C32.5復合硅酸鹽水泥與自來水混合而成，水灰比約為5:2。為防止大巷表面漏漿，對于表面噴層開裂、脫落區(qū)域，注漿前先用C20 細石混凝土噴漿覆蓋大巷表面圍巖，然后進行注漿鉆孔的施工。注漿孔采用7655 風錘配合Ф32 mm 鉆頭施工，注漿錨桿孔深約2550 mm，注漿錨索孔深6250 mm，淺部注漿壓力3 MPa，深部5 MPa。注漿孔布置詳情如圖4。

圖4 西翼軌道大巷注漿鉆孔布置斷面（mm）

5.2 加固效果分析

西翼軌道大巷采用注漿錨桿、錨索加固后，大巷底板平整光潔，頂板、兩幫表面噴層再無開裂、脫落，圍巖整體性良好。在巷道內多處采用十字布點法進行表面位移量觀測，以距主運膠帶機大巷4#聯(lián)巷口200 m處為例，其表面位移量變化規(guī)律如圖5。加固后前40 d 表面變形量增大速率較大，隨后變形量增速逐漸減??；加固約100 d 后，大巷表面變形量基本不再增大，頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別為56 mm、45 mm、68 mm，表面變形量維持在較低水平。說明該種加固方案能夠有效控制大巷圍巖變形破壞，實現(xiàn)其長期穩(wěn)定的要求。

圖5 表面位移變化規(guī)律

6 結語

通過對15#煤西翼采區(qū)軌道大巷現(xiàn)場調研表明，大巷頂?shù)装寮皟蓭捅砻婢霈F(xiàn)明顯的變形破壞，支護結構損壞。結合數(shù)值模擬研究得知，大巷圍巖破碎較嚴重，原支護方案存在支護強度不足的問題，設計采用注漿錨桿、注漿錨索深淺聯(lián)合注漿方案。模擬分析表明，注漿加固后大巷圍巖塑性破壞范圍減小70%以上，表面位移同樣顯著減小。實地應用期間礦壓監(jiān)測結果表明，該加固方案能夠有效控制大巷圍巖變形破壞，實現(xiàn)其長期穩(wěn)定的要求。