寺河煤礦二號井注漿錨索支護的模擬研究

蘇育蛟

(山西晉城煤業(yè)集團寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019)

0 引言

巷道軟巖支護是目前的一大難題，文中參考國內(nèi)外專家提出的礦井軟巖支護技術(shù)，采用注漿錨索支護工藝，解決了寺河煤礦二號井15#煤運輸大巷軟巖支護問題。這種方法安全性高，成本低，巷道穩(wěn)定，不易變形。

寺河煤礦二號井15#煤運輸大巷沿煤層底板布置，底板為鋁質(zhì)泥巖。15#煤層在開采的過程中受底板軟巖影響較大，具體表現(xiàn)在采區(qū)軌道運輸大巷、膠帶運輸大巷和采區(qū)回風(fēng)巷受工作面采動影響，巷道底鼓，變形嚴重，支護十分困難。該區(qū)域15#煤層總體穩(wěn)定，中部局部有平均0.05 m厚的夾矸，條帶狀層理，節(jié)理發(fā)育，硬度為2～3。

1 支護方案研究

基于巷道支護穩(wěn)定性的控制方法選擇，結(jié)合15#煤運輸大巷工程地質(zhì)環(huán)境特征及地應(yīng)力等條件，選擇注漿錨索支護方法，解決巷道軟巖支護問題，如圖1所示。

圖1 錨索支護斷面圖

注漿管：標(biāo)準(zhǔn)注漿管長度過短，需要在原來2 m長度的基礎(chǔ)上加工為8 m。但電焊加工的過程中，會因注漿管的管壁較薄而出現(xiàn)管壁破損的現(xiàn)象，所以可以通過用報廢的水針外套做幫條加強管壁的厚度，防止破損，從而使注漿管順利完成注漿。

注漿材料：支護過程中所選用的材料是水泥漿，其主要是由一體積的水泥和三體積的水所構(gòu)成的。

2 運輸大巷模擬分析

2.1 巷道模型的構(gòu)建

為研究寺河煤礦二號井西區(qū)巷道的整個變形過程，利用FLAC3D軟件構(gòu)建出巷道的支護模型，將運輸大巷發(fā)生變形的整個過程通過軟件模擬出來。在模擬過程中，設(shè)置的注漿錨索支護的每排之間的距離為1 200 mm，整個巷道模擬范圍長為40 m、寬4 m、高3 m。對此模型的初始條件進行設(shè)置，將巷道底部固定住，防止側(cè)面向水平方向偏移，在垂直方向施加大約15 MPa的荷載，通過CABLE單元對注漿錨索進行模擬分析，工程地質(zhì)模型圖如圖2所示。

圖2 工程地質(zhì)模型

2.2 井巷應(yīng)力場的分析

注漿錨索支護應(yīng)力場如圖3所示。

a-水平應(yīng)力場分布;b-垂直應(yīng)力場分布圖3 工程地質(zhì)模型

由上述模擬結(jié)果可以得出，運輸大巷采用注漿錨索支護方法后，整個巷道的穩(wěn)定性有明顯的改善，圍巖強度增強。底板的水平和垂直應(yīng)力集中區(qū)域和原來相比面積變小，礦井巷道兩幫所受力均衡，巷道底板的圍巖受力也減小。

2.3 井巷位移場的分析

注漿錨索支護位移場如圖4所示。

通過模擬發(fā)現(xiàn)，巷道變形程度與沒有采用錨索支護相比大為減小。一方面從井巷左右兩幫的變化情況來看，其收縮量達到極限狀態(tài)也僅僅為120 mm和130 mm;另一方面從巷道頂板沉降和底板底鼓的變化幅度可看出其數(shù)值分別為135 mm和100 mm。因此，如果采用恒定的支撐力且變形較大的錨索作為其支護的主體，既可以使巷道的變形程度降低，又可以減輕水平應(yīng)力的作用，使得巷道整體的變形得到有效控制，即使發(fā)生變形，變形程度也在可接受的范圍內(nèi)。綜上所述，采用注漿錨索支護可以降低并控制巷道變形的程度，使得巷道的支護更加穩(wěn)定。

3 支護效果分析

通過在15#煤運輸大巷約50 m以及在其前方大約15 m范圍內(nèi)布置6組不同的測點，觀測檢驗巷道注漿錨索的支護效果。其中有4組測站點布置在巷道的支護段之中，另有2組布置在一般的支護段中，最后根據(jù)6組測站點來檢測其支護效果。

a-水平位移場分布;b-垂直位移場分布圖4 位移場圖

3.1 測點布置

對50 m巷道進行注漿錨索支護，同時在支護地點位置前方15 m內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點，如圖5所示。

3.2 巷道表面位移監(jiān)測

監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖5 運輸大巷測站布置圖

a-A測站；b-B測站；c-C測站；d-D測站；e-E測站；f-F測站圖6 各監(jiān)測點U-T變化曲線

通過監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)可以得出：一方面采用普通錨索支護的巷道，在支護初期其變形幅度大，遠遠超出了注漿錨索支護的變形程度；另一方面普通錨索支護下的巷道頂板和底板變化率大約在1.6～2.2 mm/d的數(shù)值范圍內(nèi)，注漿錨索支護下的頂板和底板的變化率大約是1.08～1.28 mm/d。同時通過觀察發(fā)現(xiàn)普通錨網(wǎng)索支護對于巷道的變形不能完全適應(yīng)，但注漿錨索支護對于巷道的持續(xù)性變形能夠很好地適應(yīng)，因此在選擇巷道支護方法的過程中，應(yīng)更多地考慮注漿錨索的支護方法。

4 結(jié)論

(1)通過對寺河煤礦二號井15#煤的運輸大巷支護模擬研究，分析得出注漿錨索支護的支護方法能有效控制巷道的收縮變形，減小了巷道和圍巖的應(yīng)力集中，提高了圍巖整體強度。巷道注漿錨索支護后的變形程度明顯減小，同時也加強了整個巷道的穩(wěn)定性和承受能力。

(2)通過對比普通錨網(wǎng)索和注漿錨索2個支護方法，發(fā)現(xiàn)普通錨網(wǎng)索對于巷道的變形等變化適應(yīng)性差，注漿錨索支護方法可以長久適應(yīng)巷道變形，變形率的數(shù)值相比普通錨網(wǎng)索要小很多。