动压影响下留巷围岩变形机理及注浆加固技术研究

2019-06-19蔺康杰

煤矿现代化 2019年4期

蔺康杰

（霍州煤电集团洪洞亿隆煤业有限责任公司，山西洪洞 041600）

0 引言

随着矿井开采转向深部，煤层赋存条件日趋复杂，高瓦斯矿井数量也不断增加，为解决高瓦斯矿井的瓦斯抽采、通风及运输需求，工作面在进行设计时通常需布置多条巷道。多巷布置可有效提高瓦斯抽采效率，控制工作面瓦斯浓度，同时可将一侧巷道保留为下一工作面服务。然而留巷不但会受到本工作面回采超前及滞后支承应力的影响，同时会受到下一工作面回采超前动压影响，巷道从掘成到废弃需要服务两个工作面，导致巷道服务年限长，维护困难。针对留巷的支护主要有两类方法：一种是是分次支护，即掘巷阶段采用普通锚杆（索）支护，在本工作面回采前或下工作面回采前对巷道进行二次加固；另一种是在掘巷阶段即采用高强锚杆（索）加强巷道支护强度和刚度，使巷道满足服务年限内的使用要求。然而在现场实际应用中，留巷在二次复用前仍会出现较大的破坏变形，无法满足生产的需求。

1 工程背景

某矿5308综采工作面采用双巷道布置方式，工作面切眼长221m，走向长2748m，53082巷为上区段5306工作面回采巷道，通过留巷为5308工作面服务，成为其回风巷，其采掘工程平面图如图1所示。同时53082巷需随5308工作面回采而保留下来，以实现工作面偏“Y”型通风的需求，因此该巷道受两个工作面回采动压影响。53082巷与上区段工作面5211巷间留设35m煤柱，与本工作面53083巷间同样留设35m煤柱，53082巷沿煤层顶板布置，采用矩形断面，巷道尺寸为：宽×高=4.5m×3.2m，5211巷和53083巷沿煤层底板布置，同样采用矩形断面，巷道尺寸为：宽×高=5.5m×3.8m。

图1 采掘工程平面图

该矿主采煤层为3#煤层，煤层均厚6.07m，平均倾角5°，煤层上覆顶板分别为均厚2.89m的灰黑色砂质泥岩，均厚4.8m的浅灰色中粒砂岩，均厚12.2m的砂质泥岩。砂质泥岩直接顶的单轴抗压强度为35.9～65.8MPa，中粒砂岩老顶的单轴抗压强度为79.9～91.2MPa。顶板和两帮煤体内有地质构造存在，导致围岩破碎，在回采动压影响下，围岩内部裂隙向深部扩展，导致围岩变形加剧。煤层底板向下分别为均厚5.83m的灰黑色砂质泥岩，均厚2.9m的灰黑色泥岩，均厚13.42m的灰黑色砂质泥岩，直接底和老底均以泥岩成分为主，其平均单轴抗压强度为36.7MPa，由于底板岩层强度相对较低，巷道部分区域发生底鼓变形。

53082掘巷期间围岩几乎无变形，仅仅两帮出现20mm左右的收敛量。在上区段5306工作面回采动压影响下，巷道围岩变形量开始增大，主要变形发生在工作面留巷后方400m范围内，巷道顶板下沉量为150mm，底鼓量达到1000mm以上，两帮相对移近量为350mm，部分构造区域，围岩变形破坏更为严重，对巷道的正常使用产生影响。

2 动压影响下留巷围岩变形模拟

为研究53082巷在两次回采动压影响下巷道围岩变形破坏机理，以工作面及巷道实际布置情况建立数值计算模型，5306和5308工作面宽度均按100m取，顶底板各取3层岩层，最终建立的数值计算模型尺寸为：长×宽×高=400×100×70m。该矿进行过地应力测试，水平应力为主应力，最大、最小水平主应力分别为16.06MPa和12.18MPa，垂直应力按9.4MPa取，数值计算中按上述参数选取，本构模型为摩尔-库伦模型。待初始应力平衡后，对53082巷掘进过程、5306工作面回采、5308工作面回采期间巷道围岩变形破坏及应力场分布进行研究。煤岩体物理力学参数按表1选取。

1）53082巷掘巷过程中围岩变形分析。53082巷在掘巷后巷道周边垂直应力分布如图2所示，掘巷后在巷道表面形成应力降低区，距离顶底板和两帮一定距离产生应力集中，该应力分布与普通掘巷应力分布相似，主要是各巷间煤柱宽度较大为35m，因此掘巷未导致煤柱内部产生应力集中。

掘巷后围岩塑性区分布如图3所示，由图可知，53082巷的底板范围塑性区发育较大，而顶板区域较小，相比53083巷顶底板塑性区发育范围均较大，5211巷顶底板塑性区发育均为最小。究其原因，53082巷为沿顶掘进巷道，砂质泥岩顶板经支护后变形量很小，底煤强度低因而发生较大塑性变形；53083巷和5211巷均为沿底掘进巷道，且53083巷道断面积较大，因而围岩塑性区分布最为明显，巷道断面较小的5211巷塑性区分布相对较小。

图2 掘巷后巷道周边垂直应力分布

图3 掘巷后巷道周边塑性区分布

2）一次回采过程中巷道围岩变形分析。在工作面一次回采期间，对工作面后方50m处进行切片处理，得到如图4和图5所示的应力和塑性区分布图，如图4所示，5306工作面回采对离其较近的53082巷影响较大，在与5306工作面的煤柱间产生应力集中，且应力集中区域主要集中在邻近工作面侧，垂直应力峰值达到30MPa以上。同时由于5306工作面回采动压影响，导致53082巷巷道周边的塑性区进一步发育，尤其是底板和巷道右帮，变形更为严重。

图4 一次回采期间巷道周边垂直应力分布

图5 一次回采期间巷道周边塑性区分布

3）二次回采过程中巷道围岩变形分析。随着5308工作面回采的进行，53082巷受到二次回采动压影响，除与上区段工作面间煤柱内部有应力集中现象出现，与本工作面间煤柱内部同样产生应力集中，两侧煤柱均在靠近工作面采空区侧出现应力峰值，均超过30MPa，而53082巷在残余支承压力和超前支承压力的相互影响下，巷道周边呈现高应力，但由于留设煤柱尺寸相对较宽，巷道总体受力情况良好。

图6 二次回采期间巷道周边垂直应力分布

3 巷道围岩控制技术

针对巷道失稳变形特征及破坏机理，提出采用深浅孔注浆+注浆锚索联合控制巷道围岩变形技术。首先通过浅孔注浆将围岩表面的节理、裂隙封闭，形成初次保护层；然后进行深孔注浆进一步将岩体加固，提高其完整性及强度；最后采用高预应力注浆锚索对巷道进行整体加固，以实现巷道围岩的稳定。具体施工流程如下：

1）对巷道进行卧底喷浆处理，53082巷底鼓变形量普遍较大，最大处可达1300mm，通过综掘机对巷道进行卧底，随后补打帮锚杆，并对巷道表面进行喷浆，选用C20混凝土，喷层厚度为50mm，将围岩封闭以保证注浆效果。

2）浅孔注浆材料选用水泥水玻璃溶液，水泥与水按1：1比例混合，按水泥重量的1/10添加XPM外加剂，水玻璃选用浓度为38～42Be，水泥浆液与水玻璃按1：0.4的体积比进行混合。对巷道顶板和两帮分别进行浅部注浆，选用钻孔参数为：Φ36mm×L2000mm，钻孔按“二三二”五花布置，顶板钻孔间距分1200mm和1400mm两种，帮部钻孔间距分1300mm和1500mm两种，钻孔排距为2000mm。孔口处埋设800mm的长钢质注浆管，孔内接1000mm的射浆管，进行孔内全长注浆，注浆压力按1～3MPa选。

3）深孔注浆所选用的注浆材料及配比与浅孔注浆时相同，钻孔孔径不变，巷帮孔深改为8000mm、顶板孔深改为6000mm，顶板及两帮钻孔布置间排距与浅孔注浆时相同，巷帮及顶板的射浆管长度分别改为7000mm和5000mm，注浆压力增加到4～6MPa。

4）注浆锚索施工，顶板注浆锚索参数：Φ21.6mm×L7400mm，间排距为1760mm×1000mm，每根锚索配合使用2根中速锚固剂和1根快速锚固剂，施工完成后，预紧力达到250kN后进行注浆，注浆压力为2～3MPa。巷帮注浆锚索参数：Φ21.6mm×L4300mm，间距有2350mm和1400mm两种，底角锚索通过注浆的方式进行锚固，注浆长度2000mm，注浆量为5L；其余锚索与顶锚索施工方式相同。最终确定的支护方式如图7所示。

图7 支护方案

对巷道进行深浅孔注浆+注浆锚索联合支护后，对其进行矿压观测，绘制如图8所示的围岩变形曲线，由图8可知，受工作面动压影响剧烈范围为工作面前方30m范围内，且离工作面越近，围岩变形量越大，当回采位置到达工作面时，巷道最终顶板下沉量为150mm、底鼓量为350mm、两帮相对移近量为260mm，巷道围岩变形量维持在可控范围，满足了回采使用要求。同时对注浆加固区域进行了钻孔窥视，窥视结果表明，巷道围岩6m范围内，围岩裂隙基本被浆液所充填，岩层整体性良好。