18509 運輸巷破碎圍巖注漿加固技術研究

劉亞軍

（山西焦煤西山煤電集團公司屯蘭礦，山西 太原 030206）

長期以來，國內外學者對破碎圍巖的控制技術做了大量的研究，并得出許多技術成果[1-4]。由于破碎圍巖賦存環境及物理力學參數差異性較大，采用工程類比法或經驗設計圍巖支護方案往往給礦井的長期安全生產帶來隱患[5-6]。因此，通過數值軟件模擬不同加固方案下的支護效果，同時結合礦井的工程實況，選擇合理的巷道支護方案，以期保證巷道的長期穩定。

1 工程概況

18509 工作面運輸巷全長1300 m，沿8#煤層的底板掘進，巷道矩形斷面，寬度4.0 m，高度3.0 m。巷道與相鄰已采工作面間留18 m 煤柱。煤層直接頂為泥巖，平均層厚3.5 m；基本頂為砂巖，平均層厚6.7 m；直接底為泥巖，平均層厚2.6 m；基本底為中砂巖，平均層厚4.4 m。18509 工作面運輸巷道圍巖比較破碎，巷道頂板、煤柱幫變形量較大，擬采用注漿加固控制巷道圍巖的穩定性。

2 巷道原支護方案

（1）頂板支護。頂板錨桿采用Φ22 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿。錨桿排距800 mm，間距800 mm，“六·六”矩形布置。邊角錨桿和頂板角度不小于75°，其余均垂直于頂板布置。每根螺紋鋼錨桿配套規格為150 mm×150 mm×10 mm 的可調心拱形高強度托盤，球形墊圈配減摩墊圈。每根錨桿配套使用兩支藥卷，上部一支為CK2355 的藥卷，下部一支為K2355 的藥卷。每排錨桿配套使用BHW280-4.5×4800mm 的鋼帶。錨桿預緊力矩≥300 N·m，錨固力≥190 kN。

錨索采用Φ18.9 mm×8300 mm 的高強度低預應力錨索，間距1200 mm，排距為1600 mm。錨索托板采用長×寬×厚=300 mm×300 mm×14 mm的拱形高強度鐵板，球形墊圈配減摩墊圈。每根錨索配套使用三支藥卷，上部一支為CK2355 的藥卷，下部兩支為K2355 的藥卷。錨索預緊力≥200 kN，錨固力≥36.3 T。

（2）幫錨支護。兩幫錨桿采用Φ22 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿進行支護，間距700 mm，排距800 mm，“三·三”矩形布置。每根錨桿配套使用2 支K2355 樹脂藥卷。錨桿安裝時采用BHW280-4.5×400mm 的鋼帶托板與150 mm×150 mm×10 mm 的可調心拱形高強度托盤，球形墊圈配減摩墊圈。錨桿預緊力矩≥300 N·m，錨固力≥190 kN。

3 加固方案數值模擬研究

3.1 模型方案

為確定合理的注漿加固方案，采用FLAC3D數值軟件建立三維計算模型，分析三種注漿加固方案下圍巖的變形控制效果。

加固方案一：對巷道頂板及煤柱幫進行淺層注漿加固；

加固方案二：對巷道頂板進行淺層+深層相結合的注漿加固，煤柱幫進行淺層注漿加固；

加固方案三：對巷道頂板進行淺層+深層相結合的注漿加固，煤柱幫進行深層注漿加固。

注漿加固方案中圍巖淺部采用注漿管注漿，圍巖深部采用錨索注漿。

3.2 數值模型建立

所建模型的尺寸長×寬×高為200 m×90 m×60 m，模型總共374 670 個實體單元，379 821個網格節點，在模型中，錨桿、錨索采用cable 單元進行模擬，混凝土襯砌采用實體單元Elastic 模型，采用莫爾-庫倫屈服準則。所建模型如圖1。

圖1 三維數值模型圖

模型前后左右邊界均設置為水平約束力；模型的底面設置為固定約束邊界，使其在任何方向上部發生位移；模型三維頂部設置為自由邊界，施加等效荷載。

各巖層的物理力學參數見表1。

表1 圍巖物理力學參數

3.3 結果與分析

在18509 工作面運輸巷道開掘期間，不同加固方案下，煤柱幫垂直應力以及巷道底板的水平應力變化情況如圖2、圖3。

由圖2、圖3 可以看出，加固方案一和加固方案二在煤柱幫均采用淺層注漿方案，二者在注漿范圍內的應力大體一致；加固方案三在煤柱幫采用深層注漿方案，淺層圍巖應力值最大，可知采用注漿錨索進行煤柱幫加固，可明顯提高其圍巖的承載能力。

圖2 煤柱幫垂直應力變化曲線圖

圖3 巷道底板的水平應力變化曲線圖

4 工業性試驗

在18509 工作面運輸巷道掘進工作面采用方案三實施注漿加固，巷道的頂板淺層加固采用Φ20 mm、長度2000 mm 的注漿管，間排距為1500 mm×1600 mm；頂板深層加固采用Φ20 mm、長度8300 mm 的中空注漿錨索，間排距為1250 mm×1600 mm；巷道煤柱幫采用Φ20 mm、長度5300 mm 的中空注漿錨索，間排距為1100 mm×1600 mm。注漿加固方案如圖4。

圖4 注漿加固支護圖（mm）

在18509 工作面運輸巷掘進施工過程中采用“十字布點法”監測巷道頂底板及兩幫的圍巖變形情況。巷道變形曲線如圖5。

圖5 圍巖變形量曲線圖

由圖5 可以看出，在18509 工作面運輸巷掘進過程中，巷道頂板下沉量小于400 mm，巷道兩幫移近量小于660 mm，變形量均處于變形允許范圍。

5 結語

以18509 工作面運輸巷破碎圍巖為工程背景，對圍巖控制及支護技術展開研究，得出以下主要結論：

（1）通過數值計算得出巷道頂板進行淺層+深層相結合、煤柱幫進行深層注漿加固的方案可有效控制巷道破碎圍巖的變形。

（2）采用注漿加固后，巷道圍巖的頂板下沉及兩幫變形量減小，圍巖變形破壞得到了有效控制，表明該加固方案的有效性。