忻峪煤矿动压影响下大巷围岩控制技术研究与应用

杨胜江

（潞安化工集团潞宁忻峪煤业有限公司，山西 宁武 036700）

1 工程概况

忻峪煤矿南翼回风大巷井下开口位置在回风斜井265 m 处，北部为南翼胶带大巷，南部为将要开采的21112、21114 工作面，东部为衔接掘进的南翼回风联络巷，南翼回风大巷采掘平面图如图1 所示。2#煤层位于大同组的上部，煤层厚度0.45～2.18 m，平均厚度为0.85 m，均方差为0.096 6，变异系数为11.3.6%，煤层结构简单，一般没有夹矸。2#煤层埋深为0～550 m，井田内由东向西埋深逐步变深。

图1 南翼回风大巷采掘平面图

2 南翼回风大巷支护及破坏现状

2#煤层南翼回风大巷埋深344～386 m，采用直墙半圆拱巷道断面，巷道设计宽度4.6 m，高3.7 m，顶板、两帮均采用Ф22 mm×2400 mm 左旋全螺纹钢锚杆，间排距1000 mm×800 mm，顶板和两帮锚索均采用Ф21.8 mm 的钢绞线，顶板、帮锚索长度分别为8300 mm、6300 mm，帮锚索间排距1000 mm×3200 mm，顶锚索间排距2000 mm×2400 mm。2016 年投入使用，受到21111（已采）、21113、21110 等数个工作面的采动影响，在21111（已采）、21113 工作面回采期间，南翼回风大巷顶板出现局部下沉、两帮内移、整体围岩失稳问题，勉强能够正常使用。在21110 工作面投入生产后，随着工作面的回采，巷道围岩破碎、变形更加严重，局部巷段两帮移近量达到 800～1000 mm，底鼓达1200 mm，顶板下沉达500～600 mm，巷道变形破坏速度加快。距21110 工作面越近变形越剧烈，在对应巷段内，表面喷层出现大量的开裂，锚杆、锚索出现大量的破断失效，影响矿井安全高效生产。

3 南翼回风大巷围岩注浆加固技术研究

2#煤层南翼回风大巷在多个工作面采动影响下巷道表面变形破坏严重，多处锚杆、锚索出现失效。为保证矿井的正常安全生产，需对其进行整修。由于该巷道已投入使用多年，围岩破碎，考虑采用围岩注浆加固技术改善围岩的力学性能。为验证采用注浆加固技术的可行性，采用有限差分程序FLAC3D[1]软件进行模拟分析，模型依据南翼采区地质条件建立，根据巷道及采煤工作面实际尺寸设计模型尺寸为280 m（长）×84 m（高）×20 m（厚）。模型上部边界距地面平均为550 m，岩层平均容重为25 kN/m3，模型顶面均布载荷13.75 MPa，测压系数取1.2。

模拟时首先进行南翼回风大巷、南翼胶带大巷及南翼轨道大巷的开挖及支护，然后进行21110 工作面的回采，每次推进10 m，停采线距南翼回风大巷80 m。待模型计算平衡后，截取回采工作面中线对应位置南翼回风大巷界面，南翼回风大巷围岩塑性破坏特征如图2（a）所示。根据大量学者研究表明[2-3]，通过巷道围岩注浆，可改变围岩的粘聚力、内摩擦角、杨氏模量等，故模拟计算巷道5 m 深度范围内围岩粘聚力分别提高10%、20%、40%时巷道围岩塑性破坏情况如图2（b）～（d）。

根据图2（a）可知，在未改变巷道围岩力学参数条件下，两帮围岩塑性破坏深度最大达2.8 m ，顶板3.4 m，底板3.6 m，巷道顶板及两帮原支护锚杆长度为2.4 m，围岩破坏深度均大于锚杆有效支护范围，原有支护无法保障巷道围岩的稳定性。根据图2（b）、（c）、（d）模拟结果可以看出，随着围岩粘聚力的增大，围岩塑性破坏范围呈减小趋势，当围岩粘聚力提升40%时，巷道两帮围岩塑性破坏深度为2.0 m，顶板1.7 m，底板2.8 m。由此说明，通过围岩注浆加固技术，可有效减小巷道围岩塑性破坏范围，提升围岩稳定性；同时也表明，巷道底板塑性破坏仍较严重，需采取合理有效的支护措施控制底板变形。

图2 不同应力条件下巷道围岩破坏情况

结合南翼回风大巷围岩破碎严重、裂隙发育的特点，选用高水速凝材料为注浆液。该注浆材料由甲、乙两种材料1:1 混合后使用，甲料通过铝土矿经烧制后所剩熟料同复合缓凝分散剂配置而成，乙料由相应比例的石膏、石灰、早强剂配置而成。两种浆液混合后几分钟内将形成一定强度的固结物，不同水灰比条件下，所形成固结物具有不同的物理力学性质。为满足南翼回风大巷注浆工程需求，选择注浆加固材料水灰比为1.5:1。为确定最佳的注浆孔深度，采用现场钻孔窥视的方法，掌握巷道围岩的塑性破坏情况，在左右两帮及顶板分别施工9 m深的窥视钻孔，典型观测结果如图3 所示。顶板岩层3.45 m 深度范围内岩层破碎较严重，存在明显的破碎带，深度7.71 m 处，存在明显的环向裂隙带。同理，通过钻孔窥视发现，两帮围岩明显破碎岩层的深度为3.2～3.3 m，深度7.6～7.8 m 范围内出现明显的环向裂隙带，结合前文数值模拟分析结果，确定顶板和两帮浅部注浆孔深度为3.0 m，深部注浆孔孔深为8.0 m。

图3 顶板窥视结果

4 返修方案设计

根据南翼回风大巷现场情况，在完成巷道扩刷、喷浆、锚杆、锚索安装及巷道表面喷浆加固后，滞后喷浆作业面约50 m 处完成注浆加固作业。浅部注浆孔直径为44 mm，深度为3000 mm，注浆孔间排距1500 mm×3200 mm，顶板和两帮每排共7 个注浆孔，注浆压力3.0 MPa，采用直径为32 mm、长度为3000 mm 的中空锚杆进行注浆，每孔注浆量为0.7～0.8 m3；深部注浆孔直径为44 mm，深度为8000 mm，间排距1500 mm×3200 mm，每排7 个注浆孔，注浆压力5.0 MPa，采用直径为21.8 mm、长度为8000 mm 的中空注浆锚索，每孔注浆量为1.8～2.0 m3。为有效控制巷道底鼓变形，对底板进行反底拱施工，最大开挖深度0.8 m。反底拱施工后，采用直径为32 mm、长度为3000 mm 的注浆锚杆进行注浆，间排距为1400 mm×2400 mm，注浆参数同两帮浅部注浆孔，注浆后反底拱采用废渣填充压实。注浆孔布置详情如图4。

图4 南翼回风大巷返修注浆加固方案（mm）

5 南翼回风大巷返修效果

南翼回风大巷返修后，为掌握巷道围岩变形情况，采用“十字布点法”[4]监测其矿压特征。在21112 工作面（正在回采）对应巷段内布置6 个监测站，测站间距20 m，整理为期100 d 的监测数据，得到巷道顶底板及两帮相对移近量的变化规律如图5。返修后约80 d 内，顶板和两帮相对移近量逐渐增大且逐渐稳定；返修80～100 d 后，顶底板及两帮相对移近量基本稳定不变，顶底板移近量最终稳定在125 mm 左右，两帮移近量稳定在90～110 mm范围内，巷道围岩整体稳定性良好。采用注浆锚杆+注浆锚索+反底拱联合加固技术能够有效控制南翼回风大巷围岩的失稳变形，保障矿井的正常安全生产。

图5 南翼回风大巷断面收敛变化规律

6 结论

忻峪煤矿2#煤层南翼回风大巷使用期间，在多个工作面采动影响下，巷道表面变形破坏严重。通过数值模拟研究分析表明，采用围岩注浆加固技术，可有效减小巷道围岩的塑性破坏范围，提高巷道围岩的稳定性。通过钻孔窥视研究表明，巷道顶板和两帮3.5 m 深度范围内岩层破碎严重，7.7 m 深度附近存在明显的环向裂隙，故确定浅部注浆孔深度为3.0 m，深部注浆孔深度8.0 m，底板进行反底拱施工。现场施工后，通过“十字布点法”监测表明，返修80 d 后，巷道表面变形速度趋近于0，围岩整体稳定，所设计的注浆加固方案支护效果良好。