强烈动压影响区小煤柱穿巷注浆加固技术

2013-12-23郭东杰

山西煤炭 2013年5期

郭东杰

（晋城煤业集团成庄矿，山西晋城 048012）

晋城煤业集团成庄矿主采的3 号煤层瓦斯含量高，需用“大U”套“小U”的多巷道布置方式治理瓦斯。为解决采掘接续困难，成庄矿工作面多用留巷布置，并需尽量减小护巷煤柱，节约资源。成庄矿工作面回采后的采空区边缘进行掘巷和留巷的支护问题，我们做了大量研究，取得一些成果；但在采空区边缘留巷严重变形垮塌后与相邻新掘巷道之间留设小煤柱掘巷未有先例。因此，如何控制此类巷道围岩的有害变形，对成庄矿3310综采工作面的安全高效回采具有重要意义。

1 矿井基本概况

成庄矿3220 副巷是3309 工作面回采后的留巷巷道，与采空区净煤柱约为25 m；3220 正巷在3309 工作面回采完1 a 之后开始掘进，与3220 副巷之间净煤柱为15 m。3220 正巷掘进中，两帮煤体非常破碎，前300 m沿煤层底板掘进，后因巷道成形极差、顶板下沉严重；便将巷道改成沿顶板掘进，顶板条件得到改善，但巷帮仍较破碎、变形较大。3220 副巷原计划做为相邻3310 工作面瓦斯尾巷，但因经受3309 工作面回采和3220 正巷掘进的多次动压影响，3220 原副巷剧烈变形，导致从停采线往里约1 400 m 长的巷道垮塌；若重新布置掘进巷道，将严重影响生产接替，且浪费资源。因此为保证3310 工作面正常回采，经研究决定在3220 正巷与已垮塌的3220 副巷之间15 m 煤柱内新掘进一条断面宽×高=3 900 mm×3300 mm 的3220 新副巷；3220 新副巷与3220 正巷净煤柱宽7 m，与3220 副巷之间净煤柱宽4 m。由于3220 正巷与3220 副巷之间的煤柱受多次动压影响、煤岩体很破碎，在该煤柱内进行小煤柱穿巷，加剧了3220 正巷两帮和顶板围岩变形。3220 新副巷为瓦斯尾巷，在回采期间只需保证足够通风断面就能满足使用要求，但3220 巷还作辅助运输巷，不仅保证通风断面，还要保证巷道内人员和设备的安全；因此3220 新副巷掘进时，要对其进行加固，保证3310 工作面的顺利回采。

3310 工作面顶底板岩层，主要以粗粒砂岩为主。3220 正巷断面4 520 mm×3 100 mm，巷道采用锚网索支护，锚杆布置“帮3 根、顶板4 根”排距均为1 000 mm，顶、帮锚杆型号均为BHR500-φ22 mm-2 400 mm，树脂加长锚固，120 mm×120 mm×10 mm 拱形高强度托盘，顶帮锚杆预紧力矩400 N·m，锚固力150 kN。顶板布置两根锚索，间距1 720 mm，排距2 000 mm，锚索φ22 mm高强度低松弛预应力钢绞线，长度7 400 mm，采用300 mm×300 mm×16 mm 高强度可调心托板及配套锁具，锚索预紧力250 kN。金属网为10 号铁丝的菱形网，网孔规格50 mm×50 mm。

2 围岩结构强度对围岩变形破坏的影响

从现场勘察看：3220 巷前300 m 底鼓较严重，顶板和两帮变形较大，两帮煤体受到3309 工作面回采的强烈动压影响，表面煤体非常破碎，煤层顶板也有大量裂隙，部分区域出现网兜现象，巷道前300 m 部位离层仪出现浅部警戒现象。两帮主要表现为整体鼓出，向巷道内移动。有些帮锚杆受力后，托盘压入煤壁，随两帮收敛向巷道内部移动；大量帮锚杆受力不明显，托盘附于巷道表面，随巷道收敛整体内移。

现场调查表明：3220 巷成巷后发生严重变形，主要由于巷道支护强度难以适应3309 工作面回采动压影响，3220 巷区域煤体的整体性遭到破坏，强度大大降低，结构面发育，整体性和强度低，使同等支护条件的抗扰动能力进一步削弱。这种围岩又受3220 新副巷掘进动压影响，势必导致围岩破坏区域更向深部转移，裂隙更加扩展；3309 工作面刚回采完不久，采空区还没有完全稳定，所有这些因素都将导致承压区域的3220 巷巷道发生大变形。

3 加固总体原则

由于3220 正巷围岩已受相当破坏，裂隙发育，单纯补打锚杆、锚索将难保证锚固性能，加固必须基于有效恢复围岩完整性，提高巷道围岩支护强度。根据巷道变形情况，结合围岩结构状况，必须先用注浆加固，后对局部锚杆、锚索支护失效的围岩变形严重巷道段，注浆后再进行注浆锚索补强加固方案。

注浆的作用是填充受回采及掘进多次动压影响后的围岩离层和裂隙，将破碎的巷道围岩进行重新组合，尽量恢复并构成完整的岩体结构，进而形成连续的结构体，提高围岩的完整性，增强围岩自身承载能力，提高围岩的可锚性；通过浆液填充围岩裂隙，增强破碎围岩力的传导作用，将锚索的预应力有效向深部的围岩体扩散。

强力锚索加固旨在巷道围岩恢复连续性后，对围岩周边加上强力的边界条件，使其提高主动承载能力，进而抵抗应力重新分布过程中巷道围岩的变形，确保巷道受采动影响后的有效断面。

4 现场加固试验

4.1 加固材料

由于围岩裂隙发育，决定采用水泥浆加固。注浆使用525 号（42.5 MPa）普通硅酸盐水泥配合XPM添加剂制备素水泥浆,水灰比0.6∶1～1∶1；表面堵漏及大范围漏浆进行注浆堵漏时，压注水泥- 水玻璃双液浆，水泥与水玻璃体积比1∶0.4。

4.2 加固3220 正巷方案

1）浅孔注浆技术参数：由于3220 正巷为顺槽巷道，巷道表面严重破坏，为防止注浆时漏浆，施工前须先清理巷道内冒落垮塌的围岩，之后对巷道两帮浅部进行注浆堵漏，浅孔注浆全部采用水泥浆；当出现大面积漏浆时，采用水泥- 水玻璃双液浆。3220 正巷帮部水泥浅孔注浆钻孔孔布置，见图1-a，排距2 000 mm。

2）深孔注浆技术参数：3220 正巷帮部水泥深孔注浆钻孔布置，见图1-b，7 m 煤柱侧帮部注浆钻孔深度4 000 mm；工作面侧注浆钻孔深度5 000 mm，排距均为2 000 mm。

图1 注浆孔布置图

3）补强锚索支护参数：全部采用φ22 mm 的1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，锚索长度4 300 mm。锚索排距3 000 mm，帮底角和帮中部锚索分别距底板300 mm、1 550 mm，相互之间成“之”字型布置，见图2。注浆前锚索张拉预紧力≥150 kN。锚索张拉预紧后注浆方式：使用预置孔内的铝塑注浆管，钻孔全长一次注浆。注浆压力：注浆终止压力4～6 MPa。锚索注浆完毕超过3天后，进行二次预紧（预紧力≥250 kN）。

图2 注浆锚索布置

5 加固支护效果

为了监测注浆加固后的支护效果，注浆加固后回采前3220 正巷安装了2 组表面位移测站（在距巷口410 m 和500 m 处）；回采期间在超前工作面200 m 处的注浆加固段安装了一组测站。巷道围岩变形量见图3。从图3-a 看出，对受3220 新副巷掘进动压影响的3220 正巷注浆加固后，两帮最大收缩量23 mm，顶底板最大移近量27 mm，说明注浆加固有效控制了掘进动压影响下的采空区边缘掘进巷道的变形。图3-b 是回采工作面距测站不同位置时巷道围岩表面的位移变化曲线，巷道在超前压力影响下，开始时位移较平缓；随着工作面的推进，巷道围岩变形逐渐强烈，工作面推进到测站附近10 m 范围内，两帮最大位移量440 mm，底鼓量390 mm，顶板下沉量控制在110 mm 左右，能基本满足回采期间安全使用要求；说明对小煤柱穿巷的相邻巷道进行注浆加固后，很好地控制了巷道围岩变形。