高應力破碎圍巖巷道錨注支護技術

和正華

(山西焦煤集團有限責任公司 東曲煤礦, 山西 太原 030200)

巷道作為煤礦運輸和人員的必經通道,其穩定性是安全生產的重要保障。隨著煤炭開采逐漸向深部發展,開采環境日趨復雜,導致每年新開挖巷道中高應力巷道占28%～30%[1]. 因此,高應力巷道的維護與控制至關重要,但此類巷道普遍存在流變性強、變形量大、錨固性能差等問題,巷道返工率高達70%以上。高應力破碎圍巖巷道變形特征及頂板裂縫演化規律是工程巖體失穩的關鍵問題,與巷道支護時間密切相關[2]. 以古交礦區東曲煤礦為例,分析了傳統超前單體+π梁支護下的巷道及頂板變形、裂縫時空演化規律,得出29204順槽的最佳注漿時間,提出了新型超前錨注支護方案,以有效改善巷道的應力環境,保障煤礦的安全高效生產。

1 地質概況

東曲煤礦地處太原古交礦區,以+860 m水平二采區9#煤工作面為研究區。9#煤層屬上石炭統太原組煤層,結構簡單,煤層厚度變化不大,2.34～3.14 m,平均2.67 m,屬穩定煤層。

29204工作面為東曲礦9#煤層第二個工作面,煤層厚度2.73 m,層間距4.35 m,為近距離煤層。29204工作面布置于28204工作面正下方,29204皮帶順槽與28204軌道順槽內錯20 m,29204軌道順槽與28204皮帶順槽內錯40 m. 29204工作面軌道順槽設計長度1150 m,支護方式為傳統超前單體+π梁支護,巷道頂板為砂質泥巖。29204工作面和28204工作面布置圖見圖1.

圖1 29204工作面和28204工作面布置

2 高應力破碎圍巖巷道變形特征及頂板裂縫演化規律

2.1 巷道變形特征

高應力圍巖巷道變形隨時間的變化關系分為穩定變形和非穩定變形兩種情況,這兩種情況均具有明顯的階段性。高應力圍巖巷道變形特征圖見圖2.

圖2 高應力圍巖巷道變形特征

Li等將頂板穩定變形分為劇烈變形、逐漸加速、減速和停滯4個階段,每個階段頂板表現出不同的結構特征[3]. 29204順槽圍巖變形特征與其劃分的階段基本一致。巷道掘進初期,圍巖處于彈塑性強化階段,此時頂板完好無損,圍巖具有良好的承載能力。然而,隨著掘進的進行,圍巖不再急劇變形,而是逐漸變形。在這一階段,頂板淺層圍巖破壞,在掘進工作面處應力影響區圍巖發生剝落,此時巷道趨于穩定變形,如圖2(a). 表現為巷道在掘進擾動作用下由發育向穩定轉變的過程。也就是說,礦山原有的支護結構能夠將受損圍巖穩定在一個臨界區間內[4].

非穩定變形包括劇烈變形、逐漸加速、減速和失穩4個階段,前3個階段與穩定變形階段一致,而第4個階段作為主要區別,涉及以下兩種情況[5]. 首先,圍巖極不穩定,常規支護無法抑制其變形,變形日益嚴重,表現出漸進擴展和時間效應的特點,即變形首先加速,然后以較低的速度逐漸增大,最后再次加速,最終引起頂板冒落失穩,見圖2(b). 其次,圍巖變形隨時間衰減但仍在小范圍內持續,見圖2(c). 隨著巖體逐漸向深部破壞,巷道變形呈階梯狀,變形越來越嚴重,主要是由于原支護結構不合理造成的。

圍巖的階段變形特征可為準確確定注漿時間提供可靠依據。掘進初期,圍巖應力高度集中,巷道表面變形處于劇烈變化階段,圍巖中新裂縫較少,圍巖可注性較差,難以實施注漿加固。隨著圍巖應力調整趨于穩定,巷道變形由緩慢增加階段進入減速階段,巖體裂隙不斷增加,裂隙開度變大,圍巖可注性增加,并隨著裂隙孔徑的增加達到峰值。圍巖變形進入第四階段后,裂縫的累計數量增加,但由于圍巖的膨脹擠壓,裂縫孔徑變小,圍巖的可注性變差。而且巖體破碎嚴重后注漿時間過晚,殘余強度過低,不利于注漿加固后圍巖強度的提高,因此認為最佳注漿時間應在圍巖變形第三階段。

2.2 頂板裂縫演化規律

1) 內部裂縫演化規律。

通過在不同位置同一時間點、不同時間點同一位置的數字化探測,研究了29204工作面頂板裂縫的動態發展規律。結果表明,裂縫演化具有顯著的時空特征,可作為定量確定最佳注漿時間的關鍵指標。

沿巷道軸向在距29204工作面0～270 m進行鉆孔觀測,見圖3. 研究發現,在不同位置同一時間點,隨著距掘進工作面距離的增加,裂縫最大深度、裂縫數量等參數隨掘進時間的增加而逐漸增大,頂板裂縫深度由小于2 m到大于6 m,期間圍巖破壞越來越嚴重。正常支護區頂板主要為水平裂縫,π梁支護和注漿區發育非水平裂縫,占圍巖內全部裂縫的50%以上。分析認為,圍巖表面變形主要是由于水平裂縫在垂直方向上的擴展,而非水平裂縫主要是在支護后期產生的拉張和剪切裂縫,說明初始支護的關鍵在于抑制水平裂縫的數量。

圖3 沿巷道軸線的頂板裂縫空間特征

在不同時間點連續觀測斷裂帶同一位置頂板裂縫的動態發育演化特征,在距原鉆孔1 m范圍內鉆設一個新孔,并在孔坍塌后對29204順槽進行了兩次擴展,檢測結果見圖4. 掘進當天頂板未出現初始裂縫,但3天后,頂板裂縫迅速擴展,其中小于2.5 m處裂縫發育,0.5 m和1.5 m處裂縫較大。5天后,0.5 m處碎塊因膨脹發生破碎變形,導致孔洞坍塌。7天后,頂板裂縫深度達到6.6 m,破碎帶進一步擴大。30天后,淺層巖體大部分裂縫演化為離層和裂縫,深部地層中發育大量新裂縫。同時,由于3.0 m巖層的整體移動,大量松散巖塊從孔壁上的巖石掉落,堵塞鉆孔。40天后發現,隨著淺層巖體進一步斷裂,鉆進過程中圍巖逐漸垮塌。此時,裂縫深度達7.65 m,并有向深部地層擴展的趨勢。

圖4 沿巷道徑向的頂板裂縫的時空特征

2) 圍巖表面變形規律。

掘進當天巷道表面光滑,圍巖完整,見圖5(a). 15天后,圍巖左側變形超過500 mm,局部開裂,導致左側拱頂明顯下沉,頂板表面巖石損壞嚴重,泥漿涂層開裂甚至脫落。25天后,巷道礦壓顯現,沖擊地壓頻繁發生,支護系統幾乎達到極限載荷,導致多處錨桿和錨索斷裂,右側拱頂塌陷,見圖5(b). 在掘進的第35天,兩個拱形頂板急劇收縮成三角形,巷道左側發生蠕變,右側繼續變形,頂板下沉量大于500 mm,表明錨桿、錨索錨固力下降。同時,錨固系統突破極限,進入衰減階段,圍巖不斷變形,見圖5(c)、(d). 245天后,由于破碎圍巖的長期蠕變效應,巷道整體收縮明顯,已不能滿足使用要求,需要對整個巷道進行修復,見圖5(e)、(f).

圖5 圍巖表面變形規律

3 錨注支護方案及應用效果

3.1 錨注支護方案

選取29204工作面軌道順槽570～1150 m段和皮帶順槽1030～1150 m段開展錨注支護工作,支護材料根據層間距不同,分別選取3.3 m和4.3 m的SKZ22-1/1860中空注漿錨索,間排距為1.6 m×1 m,每排打設兩根;注漿材料選取ZHM-Ⅲ固安豐注漿加固材料,水灰體積比0.28～0.3,根據工作面推進速度、注漿施工工藝以及注漿料凝固時間,選擇注漿加固距離為超前工作面20 m. 巷道錨注支護示意圖見圖6.

圖6 巷道錨注支護示意

項目分試驗階段、正常推進階段,29204工作面軌道順槽570～670 m為項目試驗階段,在570～600 m、600～630 m、630～670 m通過調整支護方案進行錨注超前支護試驗,檢驗不同情況下的錨注支護強度和實際效果。軌道順槽670～1150 m和皮帶順槽1030～1150 m為項目正常推進階段,在前期試驗結果的基礎上,根據現場實際情況,調整錨注支護方案,采取改進措施,提高錨注支護質量。工作面進入錨注超前支護段后,做好注漿記錄和頂板動態監測,密切觀測工作面隅角的頂板垮落情況。

3.2 支護效果分析

1) 試驗段支護效果。

超前支護進入軌道順槽570～600 m試驗段后,注漿方案為錨索全部正常注漿,超前支護由原一梁三柱改為一梁兩柱。與傳統單體超前支護方式對比,巷道頂板未出現破碎情況,頂板最大下沉量由250 mm減少到35 mm,減少86%,見表1.

表1 570～670 m試驗段支護效果

超前支護進入600～630 m試驗段后,錨索注漿方式為間隔注漿,每排錨索只選擇一根進行注漿,超前支護為一根帶帽點柱,排距2 m. 與傳統單體超前支護方式對比,巷道頂板未出現破碎情況,頂板最大下沉量由250 mm減少到15 mm,減少94%.

超前支護進入630～670 m試驗段后,錨索注漿方式為隔排注漿,每隔一排錨索對下一排錨索進行注漿,超前支護為一根帶帽點柱,排距4 m. 與傳統單體超前支護方式對比,巷道頂板未出現破碎情況,頂板最大下沉量由250 mm減少到10 mm,減少96%.

2) 正常推進階段支護效果。

軌道順槽670～1150 m段和皮帶順槽1030～1150 m段,取消傳統超前單體+π梁支護方式,根據現場實際情況采取不同的錨注支護方案。正常情況下,采取隔排注漿方式;異常情況下,如超前段頂板破碎、工作面過構造、推進慢時,錨索全部注漿。全段頂板無明顯變形,支護效果良好,減少單體投入60根、π梁30根,單班減少3個工,有效提高了回采效率,降低了勞動強度。

工作面采用錨注支護以來,單根錨索最大注漿量為15 kg,平均注漿量為9.7 kg,所有注漿錨索最終注漿壓力均達到4 MPa;工作面采空區垮落距離最大為7 m,平均垮落距離為3.6 m;超前5 m范圍內最大頂板下沉量為100 mm,錨索最大應力為356 kN.

4 結 語

1) 將高應力圍巖巷道變形隨時間的變化關系分為穩定變形和非穩定變形兩種情況,其中頂板穩定變形分為劇烈變形、逐漸加速、減速和停滯4個階段,非穩定變形包括劇烈變形、逐漸加速、減速和失穩4個階段,根據圍巖的階段變形特征確定了最佳注漿時間應在圍巖變形第4階段之前。

2) 圍巖表面變形主要是由于水平裂縫在垂直方向上的擴展,而非水平裂縫主要是在支護后期產生的拉張和剪切裂縫;傳統超前單體+π梁支護下的巷道及頂板變形明顯,難以滿足使用要求,需要對整個巷道進行修復。

3) 提出并實施了新型錨注支護方案,570～600 m試驗段頂板最大下沉量減少到35 mm,減少86%;600～630 m試驗段下沉量減少到15 mm,減少94%;630～670 m試驗段下沉量減少到10 mm,減少96%. 軌道順槽670～1150 m和皮帶順槽1030～1150 m正常推進階段單根錨索平均注漿量為9.7 kg;工作面采空區平均垮落距離為3.6 m;超前5 m范圍內最大頂板下沉量為100 mm,錨索最大應力為356 kN.