寺河煤礦二號井注漿錨索支護的模擬研究

蘇育蛟

(山西晉城煤業集團寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019)

0 引言

巷道軟巖支護是目前的一大難題，文中參考國內外專家提出的礦井軟巖支護技術，采用注漿錨索支護工藝，解決了寺河煤礦二號井15#煤運輸大巷軟巖支護問題。這種方法安全性高，成本低，巷道穩定，不易變形。

寺河煤礦二號井15#煤運輸大巷沿煤層底板布置，底板為鋁質泥巖。15#煤層在開采的過程中受底板軟巖影響較大，具體表現在采區軌道運輸大巷、膠帶運輸大巷和采區回風巷受工作面采動影響，巷道底鼓，變形嚴重，支護十分困難。該區域15#煤層總體穩定，中部局部有平均0.05 m厚的夾矸，條帶狀層理，節理發育，硬度為2～3。

1 支護方案研究

基于巷道支護穩定性的控制方法選擇，結合15#煤運輸大巷工程地質環境特征及地應力等條件，選擇注漿錨索支護方法，解決巷道軟巖支護問題，如圖1所示。

圖1 錨索支護斷面圖

注漿管：標準注漿管長度過短，需要在原來2 m長度的基礎上加工為8 m。但電焊加工的過程中，會因注漿管的管壁較薄而出現管壁破損的現象，所以可以通過用報廢的水針外套做幫條加強管壁的厚度，防止破損，從而使注漿管順利完成注漿。

注漿材料：支護過程中所選用的材料是水泥漿，其主要是由一體積的水泥和三體積的水所構成的。

2 運輸大巷模擬分析

2.1 巷道模型的構建

為研究寺河煤礦二號井西區巷道的整個變形過程，利用FLAC3D軟件構建出巷道的支護模型，將運輸大巷發生變形的整個過程通過軟件模擬出來。在模擬過程中，設置的注漿錨索支護的每排之間的距離為1 200 mm，整個巷道模擬范圍長為40 m、寬4 m、高3 m。對此模型的初始條件進行設置，將巷道底部固定住，防止側面向水平方向偏移，在垂直方向施加大約15 MPa的荷載，通過CABLE單元對注漿錨索進行模擬分析，工程地質模型圖如圖2所示。

圖2 工程地質模型

2.2 井巷應力場的分析

注漿錨索支護應力場如圖3所示。

a-水平應力場分布;b-垂直應力場分布圖3 工程地質模型

由上述模擬結果可以得出，運輸大巷采用注漿錨索支護方法后，整個巷道的穩定性有明顯的改善，圍巖強度增強。底板的水平和垂直應力集中區域和原來相比面積變小，礦井巷道兩幫所受力均衡，巷道底板的圍巖受力也減小。

2.3 井巷位移場的分析

注漿錨索支護位移場如圖4所示。

通過模擬發現，巷道變形程度與沒有采用錨索支護相比大為減小。一方面從井巷左右兩幫的變化情況來看，其收縮量達到極限狀態也僅僅為120 mm和130 mm;另一方面從巷道頂板沉降和底板底鼓的變化幅度可看出其數值分別為135 mm和100 mm。因此，如果采用恒定的支撐力且變形較大的錨索作為其支護的主體，既可以使巷道的變形程度降低，又可以減輕水平應力的作用，使得巷道整體的變形得到有效控制，即使發生變形，變形程度也在可接受的范圍內。綜上所述，采用注漿錨索支護可以降低并控制巷道變形的程度，使得巷道的支護更加穩定。

3 支護效果分析

通過在15#煤運輸大巷約50 m以及在其前方大約15 m范圍內布置6組不同的測點，觀測檢驗巷道注漿錨索的支護效果。其中有4組測站點布置在巷道的支護段之中，另有2組布置在一般的支護段中，最后根據6組測站點來檢測其支護效果。

a-水平位移場分布;b-垂直位移場分布圖4 位移場圖

3.1 測點布置

對50 m巷道進行注漿錨索支護，同時在支護地點位置前方15 m內設置監測點，如圖5所示。

3.2 巷道表面位移監測

監測結果如圖6所示。

圖5 運輸大巷測站布置圖

a-A測站；b-B測站；c-C測站；d-D測站；e-E測站；f-F測站圖6 各監測點U-T變化曲線

通過監測結果數據可以得出：一方面采用普通錨索支護的巷道，在支護初期其變形幅度大，遠遠超出了注漿錨索支護的變形程度；另一方面普通錨索支護下的巷道頂板和底板變化率大約在1.6～2.2 mm/d的數值范圍內，注漿錨索支護下的頂板和底板的變化率大約是1.08～1.28 mm/d。同時通過觀察發現普通錨網索支護對于巷道的變形不能完全適應，但注漿錨索支護對于巷道的持續性變形能夠很好地適應，因此在選擇巷道支護方法的過程中，應更多地考慮注漿錨索的支護方法。

4 結論

(1)通過對寺河煤礦二號井15#煤的運輸大巷支護模擬研究，分析得出注漿錨索支護的支護方法能有效控制巷道的收縮變形，減小了巷道和圍巖的應力集中，提高了圍巖整體強度。巷道注漿錨索支護后的變形程度明顯減小，同時也加強了整個巷道的穩定性和承受能力。

(2)通過對比普通錨網索和注漿錨索2個支護方法，發現普通錨網索對于巷道的變形等變化適應性差，注漿錨索支護方法可以長久適應巷道變形，變形率的數值相比普通錨網索要小很多。