厚煤層回采巷道掘進過陷落柱圍巖控制技術研究

李浩男

（晉能控股煤業集團 成莊礦，山西 晉城048000）

1 概 況

成莊礦主采3號煤層，煤厚5.8 m，煤層傾角0～2°，平均為1°；煤層直接頂為1.6 m厚粉砂巖，老頂為9.1 m厚中粒砂巖；直接底為2.78 m厚粉砂巖，老底為3.78 m厚砂質泥巖。53153巷為5315工作面輔助運輸巷，巷道掘進斷面尺寸為5.0 m×3.3 m。根據地質資料顯示，53153巷2號橫川開口以里481.6 m，發育1個推測陷落柱TX1，該陷落柱走向長42.8 m，傾向長30.3 m，在53153巷道內影響長度約42.8 m。53153巷2號橫川開口以里534.6 m，發育陷落柱X181，該陷落柱走向長93.4 m，傾向長92.4 m，在53153巷巷道內影響長度約20 m。陷落柱與巷道間位置關系如圖1所示。

圖1 巷道及陷落柱位置Fig.1 Position of roadway and collapsed column

2 巷道支護效果模擬分析

為分析陷落柱區域巷道支護效果，采用數值模擬軟件對巷道無支護狀態、超前預注漿加固以及注漿加固加錨網帶支護效果進行分析。

2.1 應力分布規律

2.1.1 垂直應力

通過模擬分析可知由無支護—超前預注漿加固—注漿加固—錨網帶支護的過程中，應力釋放率逐漸減小，兩幫應力集中范圍減小，應力值增大。隨著圍巖強度的提高，圍巖的應力集中現象得到了很好的控制，注漿加固破碎帶圍巖有較好的優勢。垂直應力如圖2所示。

圖2 垂直應力云圖Fig.2 Cloud of vertical stress

2.1.2 水平應力

由數值模擬分析可知：①在無支護情況下，在破碎帶巷道頂、底板圍巖深部內出現大范圍的水平應力集中區域，圍巖淺部應力較小，在圍巖內形成水平應力差，加速了圍巖蠕變破壞；②注漿加固后圍巖整體性提高，明顯改善了水平應力在巷道頂、底板的集中現象；③注漿加固后進行錨桿索支護，底板水平應力集中現象進一步降低，頂板高水平應力集中現象主要在近距離圍巖內，錨固支護充分調動了圍巖的自承載能力。水平應力如圖3所示。

圖3 水平應力云圖Fig.3 Cloud of horizontal stress

2.2 塑性區分布規律

同時對巷道圍巖塑性區分布情況進行模擬分析，包括無支護、預注漿加固和預注漿及錨網支護3種支護狀態下，如圖4所示。①無支護時巷道圍巖塑性區半徑較大，達到6 m，巷道圍巖穩定性很差，控制難度大；②采用超前注漿加固后，破碎圍巖整體性得到改善，塑性區半徑明顯減小；③配合錨網帶支護后，巷道圍巖塑性區范圍得到進一步改善，特別是頂板和兩幫塑性區明顯減小，表明預注漿和錨網支護對破碎圍巖的控制效果最好。

圖4 塑性區分布示意Fig.4 Plastic zone distribution

3 陷落柱區巷道圍巖控制技術

3.1 超前預注漿加固

3.1.1 鉆孔布置

預注漿[3-4]鉆孔需結合其加固的區域，采用不同的鉆孔施工參數，見表1，巷道頂板、兩幫及底板等周邊鉆孔距離巷道輪廓線均為0.5 m，如圖5所示。1～5號注漿鉆孔加固巷道迎頭前方頂板圍巖，在圍巖內形成拱形殼體，維護巷道掘進區域圍巖穩定，同時可隔離深部圍巖應力的傳遞；6號、8號注漿鉆孔加固巷道兩幫圍巖，提高其抵抗巷幫垂直高應力的作用；7號注漿鉆孔加固迎頭前方圍巖，維護其穩定性；9號～11號注漿鉆孔加固巷道迎頭前方底板圍巖，防止高應力作用下巷道出現大范圍底鼓；兩個檢查孔作為效果考察孔，觀測注漿加固效果，同時可進行補充注漿加固。

表1 超前注漿鉆孔參數Table 1 Parameters of advanced grouting drilling

圖5 超前注漿加固鉆孔布置Fig.5 Arrangement of borehole reinforced by advanced grouting

3.1.2 注漿工藝

由于TX1和X181陷落柱對于53153巷的影響長度較長，一次性超前注漿很難實現，且施工周期長，注漿效果及施工質量都將受到極大影響，基于現場實際情況，采用鉆、注交替作業的分段前進式注漿工藝。

結合陷落柱探測情況，確定單次循環加固長度為20 m，有效長度18 m，預留2 m作為安全維護帶。注漿材料為A、B加固材料，正常水灰比為0.8∶1，注漿壓力選取10～15 MPa。

3.2 錨網帶支護

巷道通過陷落柱期間，為維護圍巖穩定，需進行加強支護，采用縮減錨桿索間排距的方法。頂板采用直徑22 mm，長2 800 mm的高強錨桿，錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，每排布置6根，采用樹脂加長錨固，并用鋼筋托梁連接；配合錨索進行補強支護，錨索直徑22 mm，長6 300 mm，間排距為2 000 mm×1 000 mm；并采用金屬網護表。巷幫錨桿與頂板規格和錨固方式一致，每幫每排3根，間排距1 100 mm×1 000 mm；采用鋼筋復合網護表。

3.3 架棚工藝

棚梁采用12號工字鋼梁，規格為4 300 mm；棚腿采用U25鋼，上腿長度為1 800 mm、下腿長度為2 000 mm；采用拉桿連接，棚距1 200 mm，柱窩深200 mm，距幫不大于450 mm，棚腿扎角350～450 mm，采用1 400 mm長背板背頂背幫。

4 效果分析

53153巷掘進過2個陷落柱影響區后，采用十字測點法在陷落柱影響區域布置4個測點，對巷道表面位移進行為期30 d的觀測。開挖支護后的14 d內，圍巖變形速率較大，之后逐漸趨于平緩，20 d后，圍巖自穩。在30 d的礦壓監測周期內，4個測站中處于陷落柱周邊應力升高區的測點，其頂底板移近量最大，為191 mm；處于陷落柱中間的4號測站，其頂底板移近量和兩幫收縮量均最小，分別為179 mm和108 mm，可見注漿加固提高了圍巖完整性；2號測站兩幫收斂量最大，為141 mm，該測點位于陷落柱邊界，處于應力異常區域，柱體內垂直應力與水平應力均小于柱體外圍巖應力，柱體內軟巖破碎帶為柱體邊界應力升高區提供卸壓途徑，圍巖位移量增大。整體而言，巷道掘進過陷落柱期間圍巖變形不大，滿足安全生產使用要求。

圖6 超前注漿加固鉆孔布置Fig.6 Arrangement of borehole reinforcement by advanced grouting

5 結 論

（1）通過數值模擬分析巷道開挖支護后的應力變化規律，可知從無任何支護到注漿加固圍巖的過程中，應力釋放率減緩，巷道圍巖的塑性區范圍減小；錨網帶支護結構起作用后，圍巖的應力集中現象得到了很好的控制。

（2）通過圍巖變形觀測可知，巷道過陷落柱期間，預注漿加固后，巷道開挖支護初期，巷道變形進入加速階段，隨后逐漸趨于收斂，一個月內破碎帶圍巖能夠實現自穩。超前預注漿加固+主被動聯合支護方案，對陷落柱影響區巷道圍巖控制較為有效，架棚支護可以緩解陷落柱柱體邊界的高應力變形。