辛置煤礦回風(fēng)大巷返修支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

曹廣民

(霍州煤電集團(tuán)云廈建筑工程公司 白龍礦建分公司，山西 霍州 031400)

1 工程概況

山西焦煤集團(tuán)公司辛置煤礦主采2號(hào)煤層，煤層均厚4.1 m，現(xiàn)階段主要進(jìn)行二采區(qū)的采掘和生產(chǎn)，二采區(qū)三條開拓大巷集中布置在采區(qū)中央，巷間煤柱寬度35 m，兩側(cè)布置回采工作面，工作面沿煤層走向方向布置，沿2號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面均為矩形，回風(fēng)大巷與回采工作面間保護(hù)煤柱寬度為50 m，回風(fēng)大巷直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度為0～7.5 m，直接底為泥巖，厚度4.3～6.9 m，回風(fēng)大巷凈寬4.5 m，巷道高度為3.5 m，回風(fēng)大巷初掘階段采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，回風(fēng)大巷自掘巷后經(jīng)歷多次返修，但均未有效控制圍巖的變形破壞，回風(fēng)大巷破壞典型情況如圖1所示，現(xiàn)對(duì)其加固方案進(jìn)行研究。

圖1 回風(fēng)大巷現(xiàn)場(chǎng)破壞情況

2 回風(fēng)大巷返修方案研究

2.1 回風(fēng)大巷返修加固方案的提出

辛置煤礦2號(hào)煤層二采區(qū)回風(fēng)大巷在軟弱煤層及回采動(dòng)壓復(fù)合作用下，巷道圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞，通過(guò)數(shù)次返修仍變形嚴(yán)重，已嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)，故針對(duì)二采區(qū)回風(fēng)大巷現(xiàn)有支護(hù)無(wú)法有效控制圍巖變形破壞的問(wèn)題，設(shè)計(jì)多種圍巖控制方案，并采用數(shù)值模擬研究手段確定最佳支護(hù)方案。

二采區(qū)回風(fēng)大巷圍巖整體具有松軟破碎、強(qiáng)度低、整體性差的特征，因此提出采用高強(qiáng)錨桿、錨索配合注漿加固技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，注漿加固的同時(shí)提高頂板及兩幫錨桿、錨索的支護(hù)強(qiáng)度，頂板及兩幫均采用規(guī)格D22 mm×2 400 mm的高強(qiáng)錨桿，間排距0.8 m，提高頂板錨索支護(hù)強(qiáng)度，錨索規(guī)格為D21.8 mm×8 300 mm，每排3根，間距1.6 m，排距0.8 m，并在兩幫加設(shè)高強(qiáng)錨索，錨索規(guī)格D21.8 mm×6 300 mm，每側(cè)布置兩根，間距1.6 m，排距0.8 m；兩幫及頂板注漿采用純水泥漿。

二采區(qū)回風(fēng)大巷底板為泥巖，巖體整體性差、強(qiáng)度低，原掘進(jìn)初期支護(hù)方案未采取底板控制措施，掘巷階段底板底鼓變形速度明顯大于頂板及兩幫，兩側(cè)采煤工作面動(dòng)壓影響下，底板底鼓變形破壞更加劇烈，是導(dǎo)致回風(fēng)大巷斷面收斂嚴(yán)重的重要原因，因此為保證回風(fēng)大巷圍巖的整體穩(wěn)定，參考國(guó)內(nèi)類似條件下巷道底板支護(hù)成果案例[1-3]，設(shè)計(jì)以下幾種底板支護(hù)技術(shù)：①底板無(wú)支護(hù)：僅采用前文所述頂板及兩幫加固技術(shù)，底板不采取針對(duì)性的支護(hù)措施，作為參照組。②錨注加固技術(shù)：底板采用錨桿+注漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，通過(guò)注漿將底板松散破碎巖層膠結(jié)為一個(gè)整體，并通過(guò)錨桿進(jìn)一步提高底板整體性，抑制底板的底鼓變形和破壞；③錨注支護(hù)+卸壓槽：底板注漿+錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，在巷道中部施工一個(gè)矩形的卸壓凹槽，使底板巖層內(nèi)的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，并通過(guò)卸壓槽釋放底板巖層高應(yīng)力，減小底板向上底鼓變形；④錨注支護(hù)+反底拱：底板注漿+錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，對(duì)巷道底板采取反底拱設(shè)計(jì)，改善底板巖層應(yīng)力環(huán)境，減小巖層內(nèi)的拉應(yīng)力，將拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，并阻止松軟破碎巖層涌入巷道。

2.2 數(shù)值模型研究

為確定辛置煤礦二采區(qū)回風(fēng)大巷最佳支護(hù)方案，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析不同支護(hù)方案下回風(fēng)大巷圍巖穩(wěn)定性[4]，結(jié)合回風(fēng)大巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立大巷及兩側(cè)工作回采數(shù)值模型，X軸方向模型長(zhǎng)度為300 m，Y軸方向模型寬度為100 m，Z軸方向模型高度為50 m，三條大巷沿Y軸方向布置，兩側(cè)回采工作面沿Y軸方向布置，沿X軸正方向和負(fù)方向推進(jìn)，回風(fēng)大巷凈寬高位4.5 m、3.5 m，模型具體尺寸及邊界條件見圖2(a)所示，所建模型實(shí)體如圖2(b)所示。

圖2 數(shù)值模型及模擬方案示意(mm)

回風(fēng)大巷支護(hù)完成后，進(jìn)行兩側(cè)工作面開挖時(shí)，記錄不同底板支護(hù)措施條件下巷道表面變形量變化規(guī)律，整理得到圖3所示結(jié)果。由圖3可以看出，在方案一條件下，回風(fēng)大巷頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟康淖畲笾堤幱?10～340 mm之間，相對(duì)于原有支護(hù)方案，圍巖變形量減小了50%～60%，說(shuō)明通過(guò)提高頂板及兩幫錨桿、錨索支護(hù)強(qiáng)度，并采取注漿加固技術(shù)，能夠顯著提高巷道圍巖的承載能力，協(xié)同抵抗高應(yīng)力引起的變形。但底板底鼓量仍達(dá)到338 mm，是圍巖主要的變形破壞形式，采取錨注支護(hù)、卸壓槽、反底拱支護(hù)措施后，回風(fēng)大巷底板變形量顯著減小，且頂板下沉量及兩幫變形量均出現(xiàn)不同程度的減小，其中采取錨注+反底拱支護(hù)措施時(shí)，底板底鼓量減小76.8%，頂板下沉量減小為179 mm，兩幫變形量分別為168 mm、170 mm，回風(fēng)大巷整體變形較小，圍巖穩(wěn)定性良好，因此，確定回風(fēng)大巷頂板及兩幫通過(guò)高強(qiáng)錨桿、錨索配合注漿進(jìn)行加固，底板采取反底拱+錨注加固措施。

圖3 不同支護(hù)方案下回風(fēng)大巷變形規(guī)律

3 回風(fēng)大巷加固方案

結(jié)合前文數(shù)值模擬研究及理論分析成果，對(duì)二采區(qū)回風(fēng)大巷破壞嚴(yán)重區(qū)段圍巖擴(kuò)刷前，首先對(duì)大巷圍巖進(jìn)行注漿，待大巷圍巖相對(duì)穩(wěn)定后，再進(jìn)行挑頂、臥底、刷幫作業(yè)，注漿材料選用水泥漿液材料，注漿壓力為2.0～3.0 MPa，漿液水灰比為1∶1，注漿孔直徑42 mm，深度4.0 m，頂板每排為2個(gè)注漿孔，間排距為2.5 m×2.4 m，距兩幫1.0 m，注漿孔均沿垂直方向施工，封孔材料采用聚氨酯，采用順序注漿方式，注漿鉆孔布置如圖4(a)所示，兩幫注漿鉆孔采用奇偶布置方式，奇數(shù)注漿孔距離頂板1.0 m，偶數(shù)注漿孔距離底板1.0 m，排距0.8 m，靠近頂板時(shí)打設(shè)角度向上10°，靠近底板時(shí)打設(shè)角度向下10°，采用砂漿封孔，注漿順序?yàn)榉纸M施工，首先進(jìn)行下部偶數(shù)注漿孔的施工，再進(jìn)行奇數(shù)注漿孔的施工，注漿孔布置如圖4(b)所示。待頂板及兩幫錨桿、錨索施工完成后，在巷道表面噴80 mm的C20混凝土進(jìn)行加固。在刷幫作業(yè)時(shí)進(jìn)行臥底，臥底后對(duì)底板進(jìn)行注漿加固，注漿鉆孔及注漿參數(shù)與頂板相同，注漿完成后采用規(guī)格D22 mm×2 400 mm高強(qiáng)錨索進(jìn)行支護(hù)，然后在反底拱中鋪設(shè)矸石并在表面澆筑厚度約100 mm的C20混凝土，最終形成支護(hù)斷面如圖4(c)所示。

圖4 回風(fēng)大巷返修支護(hù)方案(mm)

4 應(yīng)用效果

4.1 注漿效果考察

為驗(yàn)證回風(fēng)大巷圍巖注漿加固效果，在頂板及兩幫施工鉆孔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)窺視。以回風(fēng)大巷停采煤柱側(cè)煤幫的窺視為例，注漿前后典型的窺視結(jié)果如圖5所示，注漿前：窺視孔全孔范圍內(nèi)煤體松軟破碎，多處徑向裂隙及環(huán)向裂隙發(fā)育，鉆孔孔壁破碎嚴(yán)重，成孔后多處出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，煤幫完整性及穩(wěn)定性極差；注漿后：全孔范圍內(nèi)孔壁較完整、光潔，裂隙數(shù)量顯著減少，可以看到明顯的水泥砂漿與破碎煤體的膠結(jié)物，幫部煤體的整體性、強(qiáng)度現(xiàn)在提高，注漿加固效果明顯。

圖5 注漿前后煤幫窺視結(jié)果

4.2 回風(fēng)大巷礦壓特征

以采用高強(qiáng)錨桿錨索+注漿+反底拱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)加固后的回風(fēng)大巷作為研究對(duì)象，布置巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，取每個(gè)測(cè)站內(nèi)兩個(gè)測(cè)面監(jiān)測(cè)的平均值作為最終值，整理得到回風(fēng)大巷表面位移量變化規(guī)律如圖6所示。共布置8個(gè)測(cè)站，1號(hào)～4號(hào)測(cè)站布置在圍巖條件較好的區(qū)段，且修復(fù)施工較早，修復(fù)后4個(gè)測(cè)站處頂?shù)装逑鄬?duì)移近量均小于40 mm，兩幫相對(duì)移近量均小于35 mm，巷道表面變形非常小。5號(hào)～8號(hào)測(cè)站修復(fù)施工相對(duì)較靠后，且該區(qū)域圍巖松軟破碎嚴(yán)重，加固后4個(gè)測(cè)站的頂?shù)装逑鄬?duì)移近量均小于90 mm，兩幫移近量均小于110 mm，圍巖變形得到有效控制，滿足礦井使用要求。

圖6 圍巖變形量變化規(guī)律

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)辛置煤礦2號(hào)煤層二采區(qū)回風(fēng)大巷地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)頂板及兩幫高強(qiáng)錨桿、錨索+注漿聯(lián)合加固措施，提出底板可采取底板無(wú)支護(hù)、錨注支護(hù)、錨注+卸壓槽支護(hù)、錨注+反底拱支護(hù)等支護(hù)方案，通過(guò)數(shù)值模擬分析研究?jī)?yōu)選底板支護(hù)措施為錨注+反底拱聯(lián)合支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)期間通過(guò)鉆孔窺視、礦壓監(jiān)測(cè)表明，注漿加固措施有效提高巷道圍巖完整性、強(qiáng)度，巷道表面變形量很小，滿足礦井安全生產(chǎn)的要求。