回采巷道松軟破碎圍巖注漿加固與支護(hù)技術(shù)研究

王 洋

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦， 山西 太原 030053）

引言

二次回采擾動(dòng)是指在上區(qū)段回采期間，巷道受到上區(qū)段回采的影響產(chǎn)生的側(cè)向支撐壓力，造成巷道軟弱巖層發(fā)生裂隙的擴(kuò)展，致使巷道穩(wěn)定性下降，巷道失穩(wěn)。而在本區(qū)段開采時(shí)，巷道受到超前支撐壓力使得在巷道受到上區(qū)段回采的一次擾動(dòng)下出現(xiàn)二次擾動(dòng)影響，造成圍巖進(jìn)一步破碎、松動(dòng)，此時(shí)如果不及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行加固，圍巖將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的破壞，造成圍巖支護(hù)成本急劇增加[1-2]。為了改善巷道的應(yīng)力環(huán)境，對(duì)巷道進(jìn)行及時(shí)的加固十分重要。目前加固措施的原理是利用外界加固技術(shù)對(duì)圍巖進(jìn)行加固，但當(dāng)圍巖變形較大時(shí)，此時(shí)錨固作用效果不佳，造成支護(hù)效果較弱，所以在進(jìn)行支護(hù)前需要對(duì)巷道進(jìn)行注漿加固，從根本上解決圍巖自身強(qiáng)度弱、完整性差的問題[3-4]。

1 數(shù)值模擬分析

官地礦坐落于呂梁山脈中麓，距離太原市以西20 km 的西山煤田中部，北通西銘（礦），西鄰東曲（礦），南接官地（礦）、白家莊（礦），1956 年建礦，隸屬山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司。官地礦井田面積63.1 km2，屬高瓦斯礦井。礦井可采煤層7 層，煤層總厚度18.78 m，煤種分貧煤、瘦煤和貧瘦煤，為優(yōu)質(zhì)配焦煤和動(dòng)力煤。

3213 運(yùn)輸巷主要服務(wù)于3215 和3213 回采工作面，巷道的埋深550 m，巷道斷面的寬、高分別為5 m和3.4 m，巷道巖性從上至下依次為中粒巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤、泥巖、中砂巖。原有的支護(hù)選定為錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶，巷道圍巖變形較大，需要進(jìn)行錨固支護(hù)。

利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行巷道圍巖變形分析，基于官地礦的地質(zhì)條件，建立長(zhǎng)×寬×高為280 m×200 m×100 m 的模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元格的網(wǎng)格寬度為0.3～0.5 m，由于網(wǎng)格的粗細(xì)在一定程度上會(huì)影響模型的計(jì)算速度，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要考慮到計(jì)算需求，所以在巷道斷面附近選定網(wǎng)格劃分，在其余部位可以適當(dāng)?shù)胤糯缶W(wǎng)格的尺寸，劃分完成后共有738062 個(gè)單元、765776 個(gè)節(jié)點(diǎn)。完成網(wǎng)格劃分后，對(duì)模型的物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)地質(zhì)柱狀圖分別對(duì)模型進(jìn)行分層力學(xué)屬性設(shè)置，完成力學(xué)參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型的約束進(jìn)行設(shè)定，固定模型上下左右邊界的水平及垂直方向移動(dòng)，完成模型初始設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，受二次動(dòng)壓下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖如圖1 所示。

從圖1 可以看出，由于受到二次動(dòng)壓影響，使得巷道圍巖應(yīng)力較大，在巷道的兩幫位置出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)較大，同時(shí)觀察圖1-1至圖1-4 可以看出，隨著距離工作面前方距離的不斷增加，巷道兩幫的應(yīng)力集中現(xiàn)象降低，巷道兩幫的應(yīng)力降低，所以距離工作面越近，采動(dòng)影響對(duì)巷道變形的影響越大。為了更好地分析巷道二次采動(dòng)影響下巷道兩幫的圍巖受力情況，繪制二次擾動(dòng)下巷道支撐應(yīng)力的分布情況曲線，如圖2 所示。

圖1 二次動(dòng)壓影響下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖2 二次擾動(dòng)下巷道支撐應(yīng)力的分布曲線

從圖2 可以看出，巷道的圍巖受到采動(dòng)影響兩幫的支撐壓力變化曲線趨勢(shì)大致相同，在工作面前10～40 m 的巷道煤柱幫的垂直應(yīng)力最大值分別為26.6 MPa、24.7 MPa、22.7 MPa 及21.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.0、1.9、1.7 和1.6，應(yīng)力集中系數(shù)隨著距離工作面的距離增加而逐步減小，且應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在巷道煤柱幫6.5 m 的位置。在工作面后10～40 m 的工作面幫的垂直應(yīng)力最大值分別為24.4 MPa、24.0 MPa、22.0 MPa 及20.9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.84、1.81、1.64 和1.57，應(yīng)力集中系數(shù)也隨著距離工作面的距離增加而逐步減小，應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在距離工作面5 m 的位置。隨著距離工作面距離的增大，應(yīng)力峰值逐步降低。由此可以看出，受到二次擾動(dòng)使得巷道兩幫的垂直應(yīng)力較大，兩幫在擾動(dòng)作用下極易出現(xiàn)兩幫的破壞，同時(shí)應(yīng)力傳至底板，使得底板易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，所以需要對(duì)巷道進(jìn)行注漿加固。

2 支護(hù)優(yōu)化分析

在原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上采用注漿加固來提升圍巖性質(zhì)，影響注漿效果的主要因素為注漿材料的特性及注漿的工藝，綜合實(shí)際地質(zhì)情況可知，頂板的變形情況要大于兩幫，所以在進(jìn)行注漿加固時(shí)需要遵循頂板的注漿區(qū)域大于兩幫，設(shè)定如下支護(hù)方案：

1）巷道圍巖均采用注漿管進(jìn)行注漿加固，淺部注漿孔設(shè)定為3 m，頂板注漿孔間排距為1 500 mm×2 000 mm。兩幫的注漿孔間排距為1 800 mm×1 000 mm，采用2-1-2 布置方式，注漿孔均垂直于巖面。

2）先對(duì)巷道圍巖進(jìn)行淺部圍巖注漿加固，然后采用注漿錨索進(jìn)行深部圍巖注漿加固，注漿錨索長(zhǎng)度6 m，淺部注漿孔為3 m。頂板注漿孔布置方式為2-3-2，間排距為1 500 mm×1 000 mm，兩幫每排2個(gè)注漿孔，間距1 800 mm，注漿孔均垂直巖面。

3）方案三在方案二的基礎(chǔ)上在巷道頂板采用注漿錨索，注漿錨索長(zhǎng)度為7 m，同時(shí)在巷道的兩幫位置進(jìn)行普通錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，布置方式與方案二類似，錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)每排布置2 根，間排距900mm×2000 mm。

對(duì)原支護(hù)方案及三種注漿加固方案下巷道的圍巖變形進(jìn)行分析，繪制不同加固方案下巷道圍巖頂?shù)装寮跋锏纼蓭鸵平壳€，如圖3 所示。

圖3 不同注漿方案下巷道變形曲線

從圖3-1 可以看出，在本區(qū)段開采擾動(dòng)作用下，巷道的頂板出現(xiàn)下沉，底板出現(xiàn)一定的底鼓，整體巷道頂?shù)装宓囊平砍尸F(xiàn)出隨著距離工作面距離的增加逐步降低的趨勢(shì)，巷道頂?shù)装逡平康淖畲笾蛋凑赵ёo(hù)，方案1、2、3 的順序依次為672 mm、463 mm、422 mm、389 mm，對(duì)比原支護(hù)可以發(fā)現(xiàn)，注漿加固方案1、2、3 下巷道頂?shù)装逡平烤辛舜蠓慕档?，三種方案下頂?shù)装遄畲笠平枯^原支護(hù)分別下降了31.3%、37.2%和42.1%。由此可以看出，采用第三種注漿加固方案下巷道的頂板底板移近量最小，巷道抵抗擾動(dòng)的能力好，圍巖控制效果最佳。

從圖3-2 可以看出，巷道受到本區(qū)段采動(dòng)影響，巷道兩幫發(fā)生變形，兩幫移近量隨著距離工作面距離的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在距離工作面5 m 以內(nèi)時(shí)，巷道兩幫變形量呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在距離工作面5 m 以后巷道兩幫移近量呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，在距離工作面5 m 的位置出現(xiàn)兩幫移近量的最大值，按照原支護(hù)，方案1、2、3 的順序依次為588 mm、493 mm、390 mm、234 mm，三種方案較原支護(hù)方案兩幫移近量有了明顯的降低，降低的幅度分別為16.2%、33.7%和60.2%。由此可以看出，選定第三種注漿加固方案巷道兩幫受到采動(dòng)影響最小，巷道兩幫圍巖支護(hù)效果最佳。

3 結(jié)論

1）通過研究二次動(dòng)壓下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布情況發(fā)現(xiàn)，隨著距離工作面前方距離的不斷增加，巷道兩幫的應(yīng)力集中現(xiàn)象降低。

2）通過分析巷道圍巖垂直應(yīng)力分布情況，結(jié)合原有支護(hù)方案給出了巷道圍巖注漿支護(hù)的三種優(yōu)化方案。

3）通過對(duì)三種優(yōu)化方案下巷道圍巖變形量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)第三種注漿加固方案巷道兩幫受到采動(dòng)影響最小，巷道兩幫圍巖支護(hù)效果最佳。