叠加应力影响下大巷加固技术研究

李建忠，王子越，陈金宇，任　硕

(1.煤炭科学研究总院 北京开采研究院，北京100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



叠加应力影响下大巷加固技术研究

李建忠1，王子越2，陈金宇2，任硕2

(1.煤炭科学研究总院 北京开采研究院，北京100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

[摘要]针对寺河矿二号井15号煤层大巷受叠加应力影响导致巷道围岩变得极为破碎、变形量大的特点，在地质力学测试的基础上，结合巷道变形破坏情况对其破坏机理进行分析。通过UDEC数值模拟论证了注浆对破碎围岩的加固作用，最终确定对寺河二号矿15号煤层3条大巷两帮和底板采用先注浆后打锚索的注浆加固技术方案。矿压监测结果表明，该方案可有效地控制大巷变形，为类似条件下的破碎巷道加固技术提供了参考。

[关键词]叠加应力；数值模拟；注浆加固；矿压监测；破碎巷道

寺河矿二号井批准开采3号、9号和15号煤层。15号煤层位于太原组一段顶部，埋深为329～419m，上距9号煤层28～30m，距3号煤层60m，煤层厚1.97～3.84m，平均2.66m。3号煤已经采空，15号煤3条大巷在151303工作面对应区域上覆9号煤层有Ⅸ4309工作面正在回采。

15号煤层3条大巷原有支护方式为锚杆锚索联合支护，由于巷道受上部煤层开采煤柱应力、上部煤层工作面开采、本煤层巷道掘进等影响，巷道围岩变得极为破碎，高预应力、高强度、高刚度[1-3]的支护技术不能充分发挥，导致巷道变形量非常大，顶底板移近和两帮位移量普遍达到500mm以上，局部地区因变形量过大已影响到了巷道的正常使用。随着本煤层开采再增加的趋势，必然会给矿井的正常生产带来更大影响。矿方对大巷出现大变形地段采用补打锚杆和锚索、棚式支架等支护方式，但仍不能有效控制巷道围岩的变形。为提高巷道支护质量，为此在地质力学测试分析、巷道变形破坏机理分析、UDEC数值模拟的基础上，确定出寺河二号矿15号煤层3条大巷两帮和底板采用先注浆后打锚索的注浆加固技术方案，并在该矿15号煤层3条大巷进行井下试验，进行了叠加应力影响下大巷加固支护技术研究。

1地质力学条件测试及分析

对15号煤层3条大巷进行了3个测点的地质力学测试。3个测点中σH最大为8.66MPa，最小为6.58MPa，3个测点地应力侧压系数σH/σV分别为1.30，1.19 ，1.15 ，侧压系数均大于1，可见地应力主要以水平应力为主，属于构造应力场类型。3个测站最大水平主应力方向为北偏东方向，没有大的偏斜，一致性较好。

对151101大巷进行窥视发现，两个测点表明大巷两帮围岩破坏范围达到6m，破坏严重区域深度为4m，破坏严重区发育有大量裂隙，煤体极为破碎。同时，从窥视孔可看出顶板较为完整，裂隙发育较少，离层量不大，围岩完整性较好。因此，只对底板和两帮加固支护。鉴于钻孔窥视两帮破坏范围达到6m，故设计两帮深孔注浆孔深度不少于6m。图1为151101大巷两帮和顶板窥视图。总体而言，15号煤层3条大巷地应力水平不大，巷道两帮围岩裂隙极为发育，围岩非常破碎，顶板围岩较为完整，但其含有较厚的泥岩夹层，容易产生下沉变形。

图1　151101大巷顶板和两帮钻孔窥视

2大巷变形破坏机理分析

寺河二号矿3号煤、9号煤与15号煤层之间距离较小，3号和9号煤层开采后的煤柱应力以及9号煤层正在开采的Ⅸ4309工作面对15号煤层大巷稳定性造成较大影响。同时，15号煤层3条大巷掘进的相互影响，多种应力的叠加影响造成大巷两帮煤体变得极为破碎，顶底板围岩产生大量变形与离层。而破碎煤岩体与锚固剂之间粘结效果差，无法发挥锚杆锚索的预应力作用，而预应力及预应力的扩散对支护效果起着决定性的作用[4-6]，从而导致锚杆锚索的主动支护效果差。

综合上述分析，对于受叠加应力影响导致围岩变得极为破碎的巷道而言，其支护的关键因素在于以下两个方面：

(1)对于极为破碎巷道而言，应采取一定加固措施，改善破碎围岩状态，提高其完整性和围岩与锚固剂之间的粘结力，改善锚杆支护效果。

(2)采用锚杆支护加固巷道，不仅要满足高预应力，还要高强度、高刚度，保证巷道一次支护到位，避免二次支护。

3注浆加固数值模拟

基于地质力学条件和巷道变形破坏机理分析，采用离散元程序UDEC数值模拟软件，根据寺河矿二号井实际地质条件建立数值模型，注浆加固支护巷道是巷道在产生较大变形以后进行的，表1为计算模型中各煤岩层物理力学参数，建立的注浆模型如图2所示。模拟分析注浆对围岩应力的影响、注浆对围岩塑性区的影响、注浆后锚索支护与未注浆直接锚索支护轴力对比分析、注浆与未注浆下大巷变形特征共4种情形。

表1　计算模型煤岩层物理力学参数

图2　数值分析模型

3.1注浆对围岩应力的影响

模拟在同一条巷道中进行，先对巷道右帮进行注浆，之后再对整条巷道锚索支护，图3为锚索布置图，图4为左右两帮注浆与不注浆巷道锚索支护围岩垂直应力变化曲线。对比左右两帮围岩垂直应力图可知，先注浆后锚索支护围岩浅部应力明显高于单纯锚索支护，深部围岩应力要比单纯锚索支护小，并且深部和浅部围岩应力差别较小，深浅部围岩受力较为均衡，而单纯锚索支护深部围岩应力要比浅部围岩应力大得多。说明先注浆后打锚索支护可使巷道深部围岩应力由深部向浅部转移，提高浅部围岩承载能力的同时也防止了深部围岩出现高应力集中而发生破坏，改善了深部围岩应力状态，提高了巷道围岩整体承载能力。

图3　巷道锚索布置

图4　巷道左右两帮垂直应力

3.2注浆加固对围岩塑性区分布的影响

表2是不同支护模型计算的塑性区最大值。从表2可知，在注浆基础上再进行锚索支护，巷道围岩塑性区较单纯采用锚索支护大幅度减小，左帮、右帮、底板和顶板分别减小53.2%，60.3%，29.7%和48.5%。说明在打设锚索之前先注浆，可有效改善巷道围岩的结构，使得锚索的支护作用得到更大程度地发挥。

表2　不同支护状态下塑性区大小

3.3注浆后锚索受力分析

图5为先注浆后打设锚索支护与单纯锚索支护破碎围岩中锚索所受轴力情况，锚索编号从顶板锚索按逆时计依次编号，共12根锚索。图中右帮围岩在打设锚索之前进行注浆加固，顶板、底板和左帮未注浆加固，直接打设锚索进行支护。由图5可以看出，右帮锚索受力比左帮要大，这是因为右帮围岩进行了注浆，注浆加固改善了围岩的完整性，围岩与锚索和锚固剂之间的锚固效果得到改善，右帮注浆锚索最大锚固力达448.5kN，而左帮直接锚索支护锚索最大锚固力为187.7kN，锚索锚固力大大提高，锚索受力较左帮有大幅度提高；底板锚索的轴力相对巷道右帮较小，但大于顶板和左帮，这是因为对巷道右帮注浆时，浆液由于重力的作用向底板扩散，所以底板围岩结构也得到一定的改善；顶板锚索基本不受力，是因为顶板围岩破碎离层十分严重，基本失去可锚性，锚索没有起到支护加固顶板作用。注浆能提高围岩完整性，改善围岩和锚索间的可锚性，充分发挥了锚索的支护作用。

图5　注浆和未注浆的破碎围岩中锚索轴力

3.4不同支护下围岩变形特征

图6为巷道破坏以后，采用不同支护后围岩变形情况。图中单纯锚索支护，巷道最大两帮位移为693mm，底鼓为286mm，顶板下沉为251mm；而先注浆再进行锚索补强的支护方式，巷道两帮最大位移为202mm，底鼓为101mm，顶板下沉为189mm。与单纯采用锚索支护相比，两帮移近、底鼓和顶帮下沉分别减小70.8%，64.9%，24.7%。在两种不同的支护方式下，巷道表面位移量都较大，但注浆加固后再进行锚索支护较单纯锚索支护而言，可较大幅度减小巷道围岩位移，有效控制巷道的变形。

图6　支护方式与围岩变形的关系

4大巷加固方案

根据现场围岩条件，对15号煤层3条大巷变形严重段进行加固修复。西胶带运输巷和 151101巷采取先采用注浆锚索加固底板，再进行两帮浅孔和深孔注浆加固，并采用预应力注浆锚索加固。151102大巷加固方案与其他两条大巷基本一致，区别之处在于151102大巷的宽度与其余两条大巷有差异，因此底板锚索布置排距与其余两条大巷有差异，其余加固方案都相同。其加固方案如下：

底板加固大巷底板采用注浆锚索进行加固，锚索孔直径为56mm，深度为8000mm，间距为1500mm，排距为2000mm。注浆孔钻孔成功后预埋锚索，灌入水泥浆进行锚索注浆，锚索直径为17.8mm，长度为8300mm，钻孔内插入长度为4500mm铝塑注浆管用于注浆。锚索预埋7d后，注浆前张拉锚索，锚索预紧力不小于150kN。

两帮加固两帮先进行浅部注浆加固，接着进行深孔注浆加固，最后采用注浆锚索加固。注浆孔成排三花眼布置，间排距分别为3000mm和1100mm，注浆孔深浅孔深度分别为3000mm和8000mm。注浆完毕后进行全长预应力注浆锚索支护，锚索为φ17.8mm，1×7股高强度预应力钢绞线，长度5300mm，锚索成排布置，间排距分别为1000mm和2000mm。

5矿压监测与数据分析

大巷进行注浆加固支护后，151101和151102巷分别布置了1个表面位移测站。图7和图8分别为151101和151102大巷的表面位移变形图。

图7　151101巷道表面位移

图8　151102巷道表面位移

从图7可以看出，151101巷注浆加固完成后，巷道两帮变形和顶底板的移近量均比较小，2013年1月28日之前，两帮移近量最大为36mm，底鼓量最大为40mm，说明注浆浆液能充填围岩内部裂隙，提高围岩的完整性和锚索锚固力，使得锚索支护作用得到充分发挥，控制了巷道围岩的大量变形。2013年2月23日后底鼓量突然剧烈增大，这主要是因为受到了151303工作面回采的强烈动压影响，但巷道变形没有继续发展，而是趋于稳定，说明注浆加固与锚索支护控制了叠加应力影响下大巷的稳定。从图8可以看出，151102巷在注浆后再进行锚索支护后，巷道表面位移一直不大，两帮移近量最大为50mm，底鼓量最大为43mm，说明巷道支护状况良好。

与巷道单纯采用锚索支护加固相比，对大巷底板采用注浆锚索加固，而后两帮先进行浅孔和深孔注浆加固，再对两帮采用注浆锚索支护，巷道围岩较单纯采用锚索支护更完整、稳定，两帮围岩可锚性大大改善，巷道变形得到控制，巷道支护质量得到提高。说明受叠加应力影响下大巷围岩破坏严重、变形较大情况下采用先注浆加固围岩，再进行锚索支护巷道是合理可行的。

6结论

(1)对破碎围岩进行注浆加固，浆液能充填围岩内部裂隙，改善围岩结构并提高其完整性，提高浅部围岩承载力的同时降低深部围岩承载应力，使得巷道整体围岩承载能力增强。

(2)注浆加固可明显减小巷道围岩的塑性区

大小，有效改善巷道围岩结构，减小巷道围岩的变形量，增大围岩承载范围，改善巷道支护质量。

(3)注浆加固改善围岩结构、提高围岩完整性，使破碎围岩与锚索之间粘结力增大，大大提高锚索的支护作用力，充分发挥了锚索支护作用。

(4)对受叠加应力影响下导致巷道围岩变形破坏较为严重的巷道，可采用先注浆加固围岩再进行锚索支护的方式来改善巷道支护质量。

[参考文献]

[1]康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[2]王金华.我国煤巷锚杆支护技术的新发展[J].煤炭学报，2007，32 (2) ：113-118.

[3]冯京波.松散厚煤层全煤巷沿空掘巷锚索支护技术[J].煤炭科学技术，2008，36(2)：23-26.

[4]康红普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报，2007，32(7)：6732-6781.

[5]范明建.锚杆预应力与巷道支护效果的关系研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2007.

[6]张农，高明仕.煤巷高强预应力锚杆支护技术与应用[J].中国矿业大学学报，2004，33 (5)：5242-5271.

[责任编辑：施红霞]

Reinforcement Technology of Main Roadway with Superimposed Stress Influence

LI Jian-zhong1，WANG Zi-yue2，CHEN Jin-yu2，REN Shuo2

(1.Beijing Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：Surrounding rock of main road in No.15 coal seam of No.2 shaft of Sihe coal mine had became extremely broken and large deformation as superimposed stress influence，surrounding rock broken mechanism was analyzed on the basis of in-situ stress test and roadway deformation and broken situation.Detailed numerical model with UDEC was conducted to demonstrated the grouting reinforcement effect on cracked surrounding rock，the grouting reinforcement method that first grouting then supporting with cable was applied to two sides and floor of three main roadway in No.15 coal seam of No.2 shaft of Sihe coal mine，the results of rock pressure monitoring showed that the deformation of main roadway could be controlled effectively，it provided reference for similar situation.

Keywords：superimposed stress；numerical simulation；grouting reinforcement；rock pressure monitoring；cracked roadway

[中图分类号]TD353

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)01-0063-04

[作者简介]李建忠(1990-)，男，江西吉安人，硕士研究生，从事巷道支护与矿压理论研究。

[基金项目]中国煤炭科工集团青年基金项目(2016QN008)；天地科技创新基金项目(KJ-2015-TDKC-08)

[收稿日期]2015-07-27

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.017

[引用格式]李建忠，王子越，陈金宇，等.叠加应力影响下大巷加固技术研究[J].煤矿开采，2016，21(1)：63-66，46.