遗留煤柱下巷道交叉口加固支护方案优化

2020-12-16商永立

山东煤炭科技 2020年11期

商永立

（晋城煤业集团寺河二号井，山西晋城 048000）

寺河矿二号井15#煤巷道交叉口的巷道断面大，由于巷道的交叉扩大了围岩扰动的影响范围，导致交叉段巷道的顶、底板安全系数都比较低。原有支护巷道在使用期间变形较大，多次进行巷修，严重影响正常生产。

151307、151308 综采工作面采用一进两回“U”型通风系统，设计走向长度为750 m，倾向长度为180 m，煤柱间距为40 m，设计停采线50 m，两顺槽分别与三条盘区大巷形成交叉点。为了保障工作面回采后的盘区大巷正常使用，提出寺河煤矿二号井15 号煤巷道交叉点支护优化技术研究课题。

1 交叉巷道围岩受力与破坏特征分析

围岩三角区端部的应力集中系数最高，此处围岩的应力最大，当交叉巷道围岩的集中应力超过围岩的承载极限时，巷道围岩发生塑性破坏。所以，当围岩出现塑性屈服破坏时，破坏将首先出现在三角区的端部位置，破碎带内围岩的承载能力降低，导致应力集中区向围岩深部转移，同时围岩破碎区也开始增大并向围岩深部发展。以此循环，破坏逐渐加深，直至围岩内应力重新达到平衡状态[1-3]。

由图1 可以看出，同一巷道交叉部分两侧的破坏增大范围呈现为圆弧状，两者角度互补。三角区呈锐角的区域内围岩的破坏深度要大于钝角区内围岩的破坏深度，呈锐角的一侧巷道破坏的深度更大，由图1 中的Δr 表示，呈钝角较大的一侧交叉部分的破坏深度较小，由ΔR 表示。

C1和C2为影响范围外巷道两帮破坏深度[4-5]。根据上述特征可知，巷道交叉处的应力集中系数不同，巷道破坏深度越大，该处的应力集中系数越高，与巷道交叉的角度有关，呈锐角侧的应力集中系数大于呈钝角处的应力集中系数。

2 巷道交叉口注浆加固与锚索补强设计方案

2.1 现有支护状况及评价

寺河矿二号井的3#煤层、9#煤层、15#煤层同时开采，其中3#煤层与9#煤层的层距为58 m，9#煤与15#煤层间距是28 m。3#煤层与9#煤层率先回采结束，开采两层煤时遗留的煤柱，受到应力集中影响，并且应力向下传递，对15#煤层工作面的巷道带来剧烈的影响。对于永久使用的巷道，如西胶带运输巷、1303 工作面的1102 巷以及1101 巷道的围岩自身由于在巷道交叉的部位，已经发生了不同程度的变形，经常需要翻修。尤其是1102 巷，作为主要的回风巷，底鼓最大可达1100 mm，两帮移近量最大可达700 mm，严重制约了安全生产。1101 辅助运输巷的最大底鼓量为500 mm，工作面正常运输受到制约，而西胶带运输大巷的不同部位均有底鼓和巷道两帮喷浆层片帮的情况。根据上述巷道的破坏情况可知，现有的几条巷道的支护存在以下几方面不足：

（1）在现有的巷道交叉点支护状况下，受工作面回采动压影响，巷道顶板下沉量、底板鼓起量、两帮收缩均比较严重，影响正常生产使用。

（2）在煤巷交叉点不同的位置进行钻孔窥视，观察工作面动压影响后煤体中裂隙情况，为注浆加固方案提出参考。

（3）应该根据不同的情况对比不同时期煤体中裂隙状况，选择合适的注浆加固时机，进行巷道注浆加固。

图1 交叉部位压碎区破坏形状

2.2 巷道两帮注浆加固及锚索补强

根据巷道变形情况，治理方案主要在两帮注浆加固以及巷道锚杆索补强等方面。注浆加固能够有效提高巷道围岩的完整性，使应力集中的破坏区域胶结，进而提高其承载能力，而锚索能有效控制浅部围岩的变形。

以1102 巷为例，巷道两帮的注浆钻孔如图2 布置。钻孔整体呈三花眼布置，巷道高2.6 m，上排钻孔距离顶板0.8 m，下排钻孔距离底板0.8 m，上排钻孔与下排钻孔的排距为2 m，每排钻孔的间距为6 m。实际施工中，钻孔可以根据原巷道锚杆的位置适当调节，避免影响原有的支护。

图2 注浆钻孔和补强锚索布置图

注浆孔径42 mm，孔深8.0 m，注浆钢管长度为6.0 m，采用3 节2 m 长的DN14 钢管连接。第一节为封孔管，钢管两端板牙机车丝，丝长10～15 mm，两端各留200 mm，其余部分1600 mm 焊接铁丝；第二、三节为射浆管，钢管两端板牙机车丝，丝长10～15 mm，其余部分加工射浆孔Φ8 mm，十字开孔，孔间距200 mm。

为了使注浆材料充分与两帮围岩胶结，两帮锚索补强计划在注浆后3 d 实施。锚索选用长8 m、直径Φ22 mm 的高强度锚索，孔深设计在7900 mm 左右，预紧力高于250 kN。锚索设计与注浆钻孔布置在同一水平，在注浆钻孔中间均匀布置，锚索间距设计为2 m。上下两排锚索的布置方式相同。

注浆封孔的好坏影响着注浆的效果。由于巷帮2.5 m 以内的围岩完全破坏，在注浆过程中往往漏浆严重，影响注浆的开展。因此，应该适当加长封孔的长度，设计为1.5 m。封孔工艺如图3 所示。在封孔段的两端各25 cm 部分缠绕棉纱，中间浆液部分约1000 mm，注浆管上部插入封孔注浆管，封孔段注满后，待浆液固结15 min 后，继续注浆。

图3 注浆封孔方法示意图

2.3 巷道底角锚注方案设计

根据巷道的变形量监测可知，巷道的底鼓严重，故而对于巷道底角也设计了注浆加固以及锚杆补强的方案。

注浆钻孔布置在交叉点煤巷两帮的底角，如果施工不便可以适当调整钻孔的位置，但需要选择离底角最近的位置。注浆孔布置如图4 所示。

钻孔深度设计为4000 mm，角度约为45°，钻孔的间距为2 m。注浆锚杆选用型号为Φ32×6（锚杆直径32 mm，锚杆壁厚6 mm），锚杆长度为4 m。前端2 m 长部分为封孔部分，后端2 m 为注浆段。注浆加固的材料与两帮注浆加固的设备以及材料一致。由于底部的注浆孔深度仅为4 m，故而减少封孔长度至1 m，在施工过程中漏浆，适当地增长为1.5 m。

图4 巷底角锚杆布置图

2.4 注浆材料及封孔技术分析

新型无机双液注浆材料具备凝结速度快、早期强度高等特性，可注性强，注浆效果与有机高分子化学浆相似。材料分为A、B 两种组分，材料加水后的单液性能稳定，6 h 内不发生固结、泌水或者产生沉淀。A、B 单种浆液混合后，材料迅速反应，并且在3～5 min 内胶结。材料初期强度增长迅速，2 h材料强度可增大至最终强度的50%以上，特别适用于需要快速注浆加固的浅层注浆工程。

根据实际地质条件，本次注浆加固水灰比为1.0:1，5 min 内失去流动性，3 d 强度为10 MPa，7 d 强度为15 MPa。当发生漏浆时，用0.8:1 的水灰比进行注浆。鉴于巷道交叉区域应力集中，围岩破碎，故而注浆压力不能过大，因此注浆压力设定为3～5 MPa。