辛置煤礦采空側高應力巷道加固技術應用研究

劉建鋒

(霍州煤電集團云廈建筑工程公司 白龍礦建分公司，山西 霍州 031400)

1 工程概況

山西焦煤集團公司辛置煤礦地表位于洪洞縣境內，目前主采2號煤層，煤層均厚4.1 m，現階段主要進行二采區的采掘和生產，2-216綜采工作面井下相對位置在東北面鄰近二采區集中軌道巷，東面為2-214回采工作面，區段煤柱寬度為20 m，其余方向無任何工作面，工作面沿頂底板割煤。2-216運輸巷采用沿空掘巷布置方式，與2-214工作面回風巷間區段煤柱寬度為20 m，掘巷階段表面出現明顯的變形破壞，無法滿足工作面安全生產的斷面要求，現就其加固方案進行研究。

2 采空側高應力巷道圍巖破壞特征研究

2.1 建立數值模型

辛置煤礦2-216運輸巷緊鄰2-214工作面采空區掘巷，在2-214工作面回采完成后，采空區頂板圍巖穩定后再開挖2-216運輸巷，沿空巷道一側為鄰近工作面采空區，區段護巷煤柱寬度20 m，另一側為接替工作面的實體煤，為研究沿空巷道圍巖內應力分布及圍巖破壞情況，利用FLAC3D數值模擬軟件建立圖1(a)所示模型，切實計算巷道兩側應力分布，確定基本頂斷裂結構形式，為巷道變形破壞機理研究及加固支護參數的選取提供理論依據[1]。模擬方案及邊界條件示意圖如圖1(b)所示。

圖1 數值模型及模擬方案示意

2.2 采空側高應力巷道破壞機理研究

鄰近工作面開挖完成后，進行沿空巷道的開挖支護，待模型計算平衡后，在巷道長度方向中部沿垂直取切面，得到巷道周邊煤巖體內垂直應力變化規律如圖2(a)所示，圍巖塑性破壞特征如圖2(b)所示。根據圖2所示結果可以看出，根據圖中應力分布可知，在巖層開挖形成巷道的過程中，巷道正上方寬度范圍內垂直應力變為零，巷道上方巖層的載荷向兩側煤巖體內轉移，在距煤幫表面一定深度范圍內應力達到峰值，煤柱側應力峰值顯著高于實體煤側，煤柱側應力峰值達到49.3 MPa，實體煤壁一側應力峰值為24.5 MPa。由圖2(b)可以看出，掘巷后巷道圍巖均出現大范圍的塑性破壞，沿空巷道左幫實體煤側塑性破壞最大深度2.5 m，右幫煤柱側最大破壞深度3.4 m，頂板和底板塑性破壞主要沿著肩角和底角方向，靠近采空區側煤幫及頂板塑性破壞深度和范圍明顯大于實體煤一側，呈現明顯的非對稱性，塑性破壞深度已超出錨桿、錨索的有效加固范圍，采用中空注漿錨索加固是較好的途徑。

圖2 數值模擬結果

3 圍巖漿液擴散規律數值模擬分析

為了研究采用中空注漿錨索加固時漿液流動形態、擴散半徑與注漿壓力、巖層滲透率之間的規律，采用FLAC3D軟件建立放射狀柱體數值模型[2]，模型中部模型采用放射狀網格劃分，注漿孔設置在模型放射網格中心，鉆孔直徑32 mm，圓柱體外環繞放射狀網格尺寸為6 m×6 m，外放環數14，比率為1.2，模型長度為10 m。通過單一因素法探究注漿壓力及注漿時間對漿液擴散特征的影響。

3.1 漿液擴散與注漿壓力之間的規律

注漿壓力是影響圍巖加固效果的關鍵因素，在現場實地應用時可通過調節注漿壓力獲取最佳的注漿效果，結合國內類似地質條件下圍巖注漿加固應用案例[3-4]，初步設計注漿壓力為1～7 MPa，通過數值模擬研究不同注漿壓力條件下注漿30 s漿液的擴散規律，漿液在注漿壓力作用下滲流進入周圍巖體，整理得到漿液壓力隨著與鉆孔中心距離的變化規律如圖3所示。隨著向鉆孔圍巖滲流范圍的增大漿液壓力逐漸衰減，衰減為零的范圍即為注漿半徑，隨著注漿壓力由1.0 MPa增大至7.0 MPa，漿液擴散半徑由1.0 m增大至1.5 m，當漿液壓力為3～5 MPa時，漿液擴散半徑已達到1.4～1.5 m，注漿壓力繼續增大至7 MPa漿液擴散半徑并為繼續增大，因此，確定合理注漿壓力應為3～5 MPa。

圖3 漿液壓力與擴散半徑規律

3.2 漿液擴散與注漿時間之間的規律

漿液擴散半徑隨著注漿時間的變化規律如圖4所示，注漿時間增加前期，漿液擴散半徑快速增加，注漿時間為5 s時，漿液擴散半徑為0.7 m，注漿時間為20 s時，漿液擴散半徑為1.3 m，15 s內漿液擴散半徑增加了85.7%；注漿時間增加后期，漿液擴散半徑增加速度減小，注漿時間由30 s繼續增大至50 m，漿液擴散半徑僅增加了10%，由此說明注漿時間大于30 s即可取得良好的注漿效果，確定最佳的注漿時間為30～50 s。

圖4 不同注漿時間下數值模擬結果

4 中空注漿錨索加固方案

結合上述數值模擬研究及理論分析成果，設計對2-216運輸巷進行中空注漿錨索加固，注漿錨索具有實現小孔徑、大噸位、施工安全便利等優勢，可實現錨注一體、全長錨固、抗腐蝕、強度高、柔性好、錨固力強等功能，本次工程試驗選擇D22 mm×7 200 mm和D22 mm×4 800 mm兩種規格。加固方案如下：頂板布置兩根中空注漿錨索，距巷幫300 mm，錨索鉆孔深度7 000 mm，錨索規格D22 mm×7 200 mm，注漿錨索布置在原有錨桿、錨索之間，排距0.7 m。煤柱幫：設置一根規格D22 mm×4 800 mm中空注漿錨索，上下交替布置，排距0.7 m，布置在幫補腰線以上時距頂板800 mm，布置在腰線以下時距離巷道底板600 mm，靠近上部時沿水平方向布置，靠近底板時向下傾斜30°布置，詳細加固方案見圖5所示。在2-216工作面回采前，采用ZBQS-8.0/12.0型氣動注漿泵對運輸巷頂板及煤柱幫進行加固，注漿材料采用錨注劑。

圖5 中空注漿錨索加固方案(mm)

5 應用效果

5.1 巷道變形規律

以錨注加固區域前測站1、錨注加固區初始段測站4、錨注加固區中間段測站8和測站9四個不同階段的測站作為研究對象，取每個測站內兩個測面監測的平均值作為最終值，各測站巷道頂底板移近量及兩幫移近量變化曲線如圖6所示。測站8～9平均頂底板移近量880 mm，測站4頂底板移近量1 024 mm，與錨注加固區外1號測站頂底板移近量1 125 mm相比，分別減少了21.8%和9.0%；測站8～9平均兩幫移近量1 064 mm，測站4兩幫移近量1 194 mm，與錨注加固區外1號測站兩幫移近量1 357 mm相比，分別減少了21.6%和12.0%；綜上表明，注漿加固后巷道表面變形量在合理可控范圍內，能夠滿足工作面生產要求。

圖6 現場礦壓監測結果

5.2 巷道頂板錨索受力

根據各測站內錨桿(索)測力儀所測數據，取每個測站內兩個測點監測的平均值作為最終值，各測站錨索受力變化曲線如圖7所示。受采動影響初期，錨索受力平緩增加，有效控制了巷道圍巖初期的離層、滑動等擴容現象；錨注加固區域中間段測站8～9處所測錨索受力平均為325 kN，錨注加固初始段測站4處所測錨索受力平均為295.3 kN，與錨注加固區外1號測站錨索受力284.8 kN相比，分別增大了12.3%和3.6%能夠真實反映出錨固支護效果。當錨索處于超前支撐應力增高區時，錨索受力快速增加，受力越大說明錨固效果越好，錨索的作用發揮越充分。根據監測結果，錨注支護范圍內錨索所受載荷大于未錨注區域，說明錨注加固不僅能夠增強圍巖的完整性，而且能使錨索更有效錨固在巖體中，使其充分發揮懸吊等作用。

圖7 錨索受力曲線

6 結 語

結合辛置煤礦2-216運輸巷沿空掘巷的具體地質條件，通過數值軟件探究沿空巷道塑性破壞和漿液擴散特征，并通過現場工業試驗及礦壓監測檢驗中空注漿錨索應用效果，結果表明：

1) 2-216運輸巷掘進期間兩側圍巖受力不均勻，采空區側煤柱幫及頂底板圍巖塑性破壞程度顯著高于實體煤側，圍巖塑性破壞范圍已超出錨桿、錨索的有效支護能力。

2) 采用中空注漿錨索對圍巖進行加固，合理注漿壓力為3～5 MPa，注漿時間為30～50 s。

3) 工程實際監測結果表明，錨注加固后圍巖變形量減小20%以上，頂板錨索承載力現在增大，巷道圍巖整體穩定，保障了工作面的安全高效生產。