新景煤礦15#煤西翼軌道大巷加固技術應用研究

潘智虎

（山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

華陽智礦新景公司蘆北15#煤采區西翼軌道大巷沿煤底板留頂煤掘進，15#煤層結構復雜，常發育有兩層夾石，煤層厚度5.85～6.99/6.42 m，西翼軌道大巷巷道圍巖類別為Ⅳ類，頂板、兩幫全部為煤層，采用斜墻半圓拱形斷面，掘寬×掘高=5600 mm×5000 mm，巷道北側為15026 綜放工作面。工作面末采階段，對應區域的西翼軌道大巷表面出現明顯的變形特征，變形嚴重巷段位置詳情如圖1 所示。從西翼主運膠帶機大巷4#聯巷口處開始，嚴重變形段總長度約550 m。根據西翼軌道大巷現場破壞現狀及大巷圍巖破壞特征數值模擬分析結果，設計采用注漿技術對大巷圍巖進行加固。

圖1 西翼軌道大巷位置詳情

2 巷道現有支護及圍巖破壞現狀分析

西翼軌道大巷頂板及兩幫均采用錨網索聯合支護，錨桿直徑22 mm、長度2.5 m，頂板每排9 根，兩幫每排6 根，間排距為0.8 m，同排錨桿間采用直徑12 mm 圓鋼制作的“H”型鋼梁聯合加固。錨索直徑21.8 mm、長度6.2 m，頂板每排5 根，兩幫每排6 根，同排錨索間距為1.2 m，排距為錨桿的兩倍，錨索間采用“H”型鋼梁聯合支護，護表金屬網規格Φ6 mm×1000 mm×2000 mm。巷道表面噴層厚度約5 cm，材料為P.C32.5 水泥混凝土漿液。

經過對西翼軌道大巷現場調研，變形破壞特征如下：1）頂板：頂部表面噴層存在明顯的分層脫離現象，噴層表面裂縫沿著大巷軸線方向不斷延伸，頂板彎曲下沉特征明顯，錨桿、錨索普遍存在彎曲、橫向錯動；2）兩幫：多處出現明顯不均勻的破碎和內側鼓出，底角破碎變形最為明顯，幫中破壞形式以剪脹破壞為主，斜墻段噴漿層多處出現脫落，金屬網外露；3）底板：底板變形持續時間長，部分區段底鼓較為嚴重，影響巷道正常運輸功能。

3 大巷圍巖破壞特征模擬分析

為探究西翼軌道大巷圍巖破壞機理，以該巷道工作面地質條件及支護方案為基礎，采用FLAC3D軟件構建三維數值模型[1-2]，模擬采用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則。模型建立完成后開始運算，運算平衡的條件為最大不平衡力達到1×10-5MPa，得到初始應力場后，進行西翼軌道大巷的開挖，首先進行無支護條件下的開挖，然后進行錨網索支護條件下的開挖，給出支護前后巷道圍巖塑性區模擬結果如圖2。

圖2 巷道圍巖塑性破壞區分布

由圖2 可以看出，無支護條件下，頂板破壞深度最大值為4.5 m，兩幫水平方向破壞深度最大值為5.5 m，底板塑性破壞深度較大，最深處達到5.0 m。無支護條件下，巷道圍巖松散破碎嚴重，表面劇烈變形破壞，兩幫移近量達848 mm，底鼓量達473 mm。錨網索支護條件下，大巷頂板及兩幫圍巖塑性破壞程度明顯降低，頂板、兩幫圍巖破壞深度分別為3.0 m、2.5 m，相對于無支護條件下減小幅度分別為33.3%、54.5%；兩幫移近量為575 mm，比支護前減小32.2%；底板塑性破壞深度仍達到5.0 m，相對于支護前并無明顯變化；底鼓量為689 mm，比支護前增大45.7%。

4 注漿加固方案和加固效果模擬研究

根據西翼軌道大巷現場破壞現狀及數值模擬分析結果可知，現有條件下圍巖變形原因主要有以下幾方面：1）巷道埋深大、圍巖強度低。巷道布置在15#煤層中，埋深為570～600 m，巷道頂板、兩幫為煤體，圍巖強度低、應力大，圍巖破碎嚴重；2）原支護方案支護強度不足[3-4]。錨網索支護雖然一定程度上降低了圍巖的破壞程度，但是圍巖變形破壞范圍仍較大，頂板及兩幫破壞深度已超出錨桿的加固范圍，且底板未采取有效支護措施，底板破碎及底鼓變形嚴重。基于西翼軌道大巷圍巖破壞特征，提出通過注漿技術進行加固。為分析注漿加固后大巷圍巖的變形規律，采用上文所述數值模型進行模擬研究。設計注漿范圍為距巷道表面深度0～6 m 范圍內，注漿材料采用普通425 硅酸鹽水泥漿，得到注漿加固后大巷圍巖塑性破壞特征及表面位移量變化規律如圖3。

圖3 注漿加固后數值模擬分析結果

圖3（a）為大巷圍巖塑性區分布模擬結果，頂板、兩幫、底板塑性破壞深度最大值均為1.0 m，相對于原支護條件下分別減小66.7%、60.0%、80.0%，圍巖塑性破壞范圍顯著減小；圖3（b）為圍巖變形量隨著深度的變化規律，圍巖變形量隨著與巷道表面距離的增大不斷減小，約在深度7 m 處位移量減小為零，巷道頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別為91 mm、158 mm、75 mm，較原錨網索支護分別減小76.4%、72.5%、89.1%。由此說明，注漿加固可改善大巷圍巖的塑性破壞狀態，降低大巷表面的位移變形，提高圍巖物理力學性能和承載能力，取得良好的圍巖控制效果。

5 注漿加固方案及應用效果

5.1 注漿加固方案

結合前文數值模擬研究成果，設計西翼軌道大巷采用注漿錨桿、錨索深淺聯合注漿加固技術。淺部注漿參數：注漿錨桿直徑22 mm、長度2.5 m，每排布置11 根（頂板5 根、兩幫4 根、底板2 根），排距為1.0 m；深部注漿：注漿錨索直徑21.8 mm、長度6.2 m，每排布置12 根（頂板5 根、兩幫4 根、底板3 根），頂板和兩幫布置間距為1.2 m，底板兩根布置間距1.8 m，排距為1.0 m；漿液由P.C32.5復合硅酸鹽水泥與自來水混合而成，水灰比約為5:2。為防止大巷表面漏漿，對于表面噴層開裂、脫落區域，注漿前先用C20 細石混凝土噴漿覆蓋大巷表面圍巖，然后進行注漿鉆孔的施工。注漿孔采用7655 風錘配合Ф32 mm 鉆頭施工，注漿錨桿孔深約2550 mm，注漿錨索孔深6250 mm，淺部注漿壓力3 MPa，深部5 MPa。注漿孔布置詳情如圖4。

圖4 西翼軌道大巷注漿鉆孔布置斷面（mm）

5.2 加固效果分析

西翼軌道大巷采用注漿錨桿、錨索加固后，大巷底板平整光潔，頂板、兩幫表面噴層再無開裂、脫落，圍巖整體性良好。在巷道內多處采用十字布點法進行表面位移量觀測，以距主運膠帶機大巷4#聯巷口200 m處為例，其表面位移量變化規律如圖5。加固后前40 d 表面變形量增大速率較大，隨后變形量增速逐漸減小；加固約100 d 后，大巷表面變形量基本不再增大，頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別為56 mm、45 mm、68 mm，表面變形量維持在較低水平。說明該種加固方案能夠有效控制大巷圍巖變形破壞，實現其長期穩定的要求。

圖5 表面位移變化規律

6 結語

通過對15#煤西翼采區軌道大巷現場調研表明，大巷頂底板及兩幫表面均出現明顯的變形破壞，支護結構損壞。結合數值模擬研究得知，大巷圍巖破碎較嚴重，原支護方案存在支護強度不足的問題，設計采用注漿錨桿、注漿錨索深淺聯合注漿方案。模擬分析表明，注漿加固后大巷圍巖塑性破壞范圍減小70%以上，表面位移同樣顯著減小。實地應用期間礦壓監測結果表明，該加固方案能夠有效控制大巷圍巖變形破壞，實現其長期穩定的要求。