遺留煤柱下巷道交叉口加固支護(hù)方案優(yōu)化

商永立

（晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河二號(hào)井，山西 晉城 048000）

寺河礦二號(hào)井15#煤巷道交叉口的巷道斷面大，由于巷道的交叉擴(kuò)大了圍巖擾動(dòng)的影響范圍，導(dǎo)致交叉段巷道的頂、底板安全系數(shù)都比較低。原有支護(hù)巷道在使用期間變形較大，多次進(jìn)行巷修，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。

151307、151308 綜采工作面采用一進(jìn)兩回“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為750 m，傾向長(zhǎng)度為180 m，煤柱間距為40 m，設(shè)計(jì)停采線(xiàn)50 m，兩順槽分別與三條盤(pán)區(qū)大巷形成交叉點(diǎn)。為了保障工作面回采后的盤(pán)區(qū)大巷正常使用，提出寺河煤礦二號(hào)井15 號(hào)煤巷道交叉點(diǎn)支護(hù)優(yōu)化技術(shù)研究課題。

1 交叉巷道圍巖受力與破壞特征分析

圍巖三角區(qū)端部的應(yīng)力集中系數(shù)最高，此處圍巖的應(yīng)力最大，當(dāng)交叉巷道圍巖的集中應(yīng)力超過(guò)圍巖的承載極限時(shí)，巷道圍巖發(fā)生塑性破壞。所以，當(dāng)圍巖出現(xiàn)塑性屈服破壞時(shí)，破壞將首先出現(xiàn)在三角區(qū)的端部位置，破碎帶內(nèi)圍巖的承載能力降低，導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，同時(shí)圍巖破碎區(qū)也開(kāi)始增大并向圍巖深部發(fā)展。以此循環(huán)，破壞逐漸加深，直至圍巖內(nèi)應(yīng)力重新達(dá)到平衡狀態(tài)[1-3]。

由圖1 可以看出，同一巷道交叉部分兩側(cè)的破壞增大范圍呈現(xiàn)為圓弧狀，兩者角度互補(bǔ)。三角區(qū)呈銳角的區(qū)域內(nèi)圍巖的破壞深度要大于鈍角區(qū)內(nèi)圍巖的破壞深度，呈銳角的一側(cè)巷道破壞的深度更大，由圖1 中的Δr 表示，呈鈍角較大的一側(cè)交叉部分的破壞深度較小，由ΔR 表示。

C1和C2為影響范圍外巷道兩幫破壞深度[4-5]。根據(jù)上述特征可知，巷道交叉處的應(yīng)力集中系數(shù)不同，巷道破壞深度越大，該處的應(yīng)力集中系數(shù)越高，與巷道交叉的角度有關(guān)，呈銳角側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)大于呈鈍角處的應(yīng)力集中系數(shù)。

2 巷道交叉口注漿加固與錨索補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案

2.1 現(xiàn)有支護(hù)狀況及評(píng)價(jià)

寺河礦二號(hào)井的3#煤層、9#煤層、15#煤層同時(shí)開(kāi)采，其中3#煤層與9#煤層的層距為58 m，9#煤與15#煤層間距是28 m。3#煤層與9#煤層率先回采結(jié)束，開(kāi)采兩層煤時(shí)遺留的煤柱，受到應(yīng)力集中影響，并且應(yīng)力向下傳遞，對(duì)15#煤層工作面的巷道帶來(lái)劇烈的影響。對(duì)于永久使用的巷道，如西膠帶運(yùn)輸巷、1303 工作面的1102 巷以及1101 巷道的圍巖自身由于在巷道交叉的部位，已經(jīng)發(fā)生了不同程度的變形，經(jīng)常需要翻修。尤其是1102 巷，作為主要的回風(fēng)巷，底鼓最大可達(dá)1100 mm，兩幫移近量最大可達(dá)700 mm，嚴(yán)重制約了安全生產(chǎn)。1101 輔助運(yùn)輸巷的最大底鼓量為500 mm，工作面正常運(yùn)輸受到制約，而西膠帶運(yùn)輸大巷的不同部位均有底鼓和巷道兩幫噴漿層片幫的情況。根據(jù)上述巷道的破壞情況可知，現(xiàn)有的幾條巷道的支護(hù)存在以下幾方面不足：

（1）在現(xiàn)有的巷道交叉點(diǎn)支護(hù)狀況下，受工作面回采動(dòng)壓影響，巷道頂板下沉量、底板鼓起量、兩幫收縮均比較嚴(yán)重，影響正常生產(chǎn)使用。

（2）在煤巷交叉點(diǎn)不同的位置進(jìn)行鉆孔窺視，觀察工作面動(dòng)壓影響后煤體中裂隙情況，為注漿加固方案提出參考。

（3）應(yīng)該根據(jù)不同的情況對(duì)比不同時(shí)期煤體中裂隙狀況，選擇合適的注漿加固時(shí)機(jī)，進(jìn)行巷道注漿加固。

圖1 交叉部位壓碎區(qū)破壞形狀

2.2 巷道兩幫注漿加固及錨索補(bǔ)強(qiáng)

根據(jù)巷道變形情況，治理方案主要在兩幫注漿加固以及巷道錨桿索補(bǔ)強(qiáng)等方面。注漿加固能夠有效提高巷道圍巖的完整性，使應(yīng)力集中的破壞區(qū)域膠結(jié)，進(jìn)而提高其承載能力，而錨索能有效控制淺部圍巖的變形。

以1102 巷為例，巷道兩幫的注漿鉆孔如圖2 布置。鉆孔整體呈三花眼布置，巷道高2.6 m，上排鉆孔距離頂板0.8 m，下排鉆孔距離底板0.8 m，上排鉆孔與下排鉆孔的排距為2 m，每排鉆孔的間距為6 m。實(shí)際施工中，鉆孔可以根據(jù)原巷道錨桿的位置適當(dāng)調(diào)節(jié)，避免影響原有的支護(hù)。

圖2 注漿鉆孔和補(bǔ)強(qiáng)錨索布置圖

注漿孔徑42 mm，孔深8.0 m，注漿鋼管長(zhǎng)度為6.0 m，采用3 節(jié)2 m 長(zhǎng)的DN14 鋼管連接。第一節(jié)為封孔管，鋼管兩端板牙機(jī)車(chē)絲，絲長(zhǎng)10～15 mm，兩端各留200 mm，其余部分1600 mm 焊接鐵絲；第二、三節(jié)為射漿管，鋼管兩端板牙機(jī)車(chē)絲，絲長(zhǎng)10～15 mm，其余部分加工射漿孔Φ8 mm，十字開(kāi)孔，孔間距200 mm。

為了使注漿材料充分與兩幫圍巖膠結(jié)，兩幫錨索補(bǔ)強(qiáng)計(jì)劃在注漿后3 d 實(shí)施。錨索選用長(zhǎng)8 m、直徑Φ22 mm 的高強(qiáng)度錨索，孔深設(shè)計(jì)在7900 mm 左右，預(yù)緊力高于250 kN。錨索設(shè)計(jì)與注漿鉆孔布置在同一水平，在注漿鉆孔中間均勻布置，錨索間距設(shè)計(jì)為2 m。上下兩排錨索的布置方式相同。

注漿封孔的好壞影響著注漿的效果。由于巷幫2.5 m 以?xún)?nèi)的圍巖完全破壞，在注漿過(guò)程中往往漏漿嚴(yán)重，影響注漿的開(kāi)展。因此，應(yīng)該適當(dāng)加長(zhǎng)封孔的長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)為1.5 m。封孔工藝如圖3 所示。在封孔段的兩端各25 cm 部分纏繞棉紗，中間漿液部分約1000 mm，注漿管上部插入封孔注漿管，封孔段注滿(mǎn)后，待漿液固結(jié)15 min 后，繼續(xù)注漿。

圖3 注漿封孔方法示意圖

2.3 巷道底角錨注方案設(shè)計(jì)

根據(jù)巷道的變形量監(jiān)測(cè)可知，巷道的底鼓嚴(yán)重，故而對(duì)于巷道底角也設(shè)計(jì)了注漿加固以及錨桿補(bǔ)強(qiáng)的方案。

注漿鉆孔布置在交叉點(diǎn)煤巷兩幫的底角，如果施工不便可以適當(dāng)調(diào)整鉆孔的位置，但需要選擇離底角最近的位置。注漿孔布置如圖4 所示。

鉆孔深度設(shè)計(jì)為4000 mm，角度約為45°，鉆孔的間距為2 m。注漿錨桿選用型號(hào)為Φ32×6（錨桿直徑32 mm，錨桿壁厚6 mm），錨桿長(zhǎng)度為4 m。前端2 m 長(zhǎng)部分為封孔部分，后端2 m 為注漿段。注漿加固的材料與兩幫注漿加固的設(shè)備以及材料一致。由于底部的注漿孔深度僅為4 m，故而減少封孔長(zhǎng)度至1 m，在施工過(guò)程中漏漿，適當(dāng)?shù)卦鲩L(zhǎng)為1.5 m。

圖4 巷底角錨桿布置圖

2.4 注漿材料及封孔技術(shù)分析

新型無(wú)機(jī)雙液注漿材料具備凝結(jié)速度快、早期強(qiáng)度高等特性，可注性強(qiáng)，注漿效果與有機(jī)高分子化學(xué)漿相似。材料分為A、B 兩種組分，材料加水后的單液性能穩(wěn)定，6 h 內(nèi)不發(fā)生固結(jié)、泌水或者產(chǎn)生沉淀。A、B 單種漿液混合后，材料迅速反應(yīng)，并且在3～5 min 內(nèi)膠結(jié)。材料初期強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，2 h材料強(qiáng)度可增大至最終強(qiáng)度的50%以上，特別適用于需要快速注漿加固的淺層注漿工程。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，本次注漿加固水灰比為1.0:1，5 min 內(nèi)失去流動(dòng)性，3 d 強(qiáng)度為10 MPa，7 d 強(qiáng)度為15 MPa。當(dāng)發(fā)生漏漿時(shí)，用0.8:1 的水灰比進(jìn)行注漿。鑒于巷道交叉區(qū)域應(yīng)力集中，圍巖破碎，故而注漿壓力不能過(guò)大，因此注漿壓力設(shè)定為3～5 MPa。

3 巷道交叉口圍巖參數(shù)優(yōu)化效果分析

通過(guò)采用鉆孔窺視對(duì)比巷道交叉口圍巖注漿加固前后巷道圍巖情況，分別在距離注漿鉆孔1.8 m、2.5 m、3.5 m 處各打了一個(gè)8 m 深窺視孔。

由圖5（a）可知，巷道交叉口處煤體破碎，裂隙縱橫交錯(cuò)，發(fā)育程度高，有明顯的分層，巷幫圍巖的整體性較差。注漿完成后，如圖5（b）可知，漿液完全充填了巷幫煤體的裂隙，孔壁完整光滑，漿液固結(jié)狀況良好，煤體沒(méi)有明顯的裂隙。

圖5 鉆孔窺視結(jié)果

巷道兩幫錨索補(bǔ)強(qiáng)后，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，巷道兩幫移近量明顯減小，最大變形為280 mm。交叉口進(jìn)行底角錨注后，巷道的底鼓量明顯減小，范圍內(nèi)的最大底鼓量為320 mm。巷道完整性顯著提高，巷道圍巖變形量小。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)交叉巷道圍巖受力以及變形特征分析可知，三角區(qū)角度越小，三角區(qū)圍巖在開(kāi)挖后應(yīng)力集中系數(shù)值就越大，三角區(qū)圍巖發(fā)生塑性破壞的可能性就越大。

（2）通過(guò)現(xiàn)有巷道支護(hù)進(jìn)行觀測(cè)可知，在原有支護(hù)條件下，主要巷道的圍巖變形量大，原支護(hù)手段不能有效控制圍巖變形，提出巷道錨索補(bǔ)強(qiáng)與注漿加固的聯(lián)合優(yōu)化支護(hù)方案。

（3）根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)并施工錨索補(bǔ)強(qiáng)以及交叉口巷幫圍巖淺孔注漿加固方案。注漿完成后，通過(guò)鉆孔窺視可知，注漿材料與巷幫破碎圍巖膠結(jié)良好，巷道圍巖的完整性顯著提高。