18509 运输巷破碎围岩注浆加固技术研究

2023-03-07刘亚军

山东煤炭科技 2023年1期

刘亚军

（山西焦煤西山煤电集团公司屯兰矿，山西太原 030206）

长期以来，国内外学者对破碎围岩的控制技术做了大量的研究，并得出许多技术成果[1-4]。由于破碎围岩赋存环境及物理力学参数差异性较大，采用工程类比法或经验设计围岩支护方案往往给矿井的长期安全生产带来隐患[5-6]。因此，通过数值软件模拟不同加固方案下的支护效果，同时结合矿井的工程实况，选择合理的巷道支护方案，以期保证巷道的长期稳定。

1 工程概况

18509 工作面运输巷全长1300 m，沿8#煤层的底板掘进，巷道矩形断面，宽度4.0 m，高度3.0 m。巷道与相邻已采工作面间留18 m 煤柱。煤层直接顶为泥岩，平均层厚3.5 m；基本顶为砂岩，平均层厚6.7 m；直接底为泥岩，平均层厚2.6 m；基本底为中砂岩，平均层厚4.4 m。18509 工作面运输巷道围岩比较破碎，巷道顶板、煤柱帮变形量较大，拟采用注浆加固控制巷道围岩的稳定性。

2 巷道原支护方案

（1）顶板支护。顶板锚杆采用Φ22 mm×2000 mm 的螺纹钢锚杆。锚杆排距800 mm，间距800 mm，“六·六”矩形布置。边角锚杆和顶板角度不小于75°，其余均垂直于顶板布置。每根螺纹钢锚杆配套规格为150 mm×150 mm×10 mm 的可调心拱形高强度托盘，球形垫圈配减摩垫圈。每根锚杆配套使用两支药卷，上部一支为CK2355 的药卷，下部一支为K2355 的药卷。每排锚杆配套使用BHW280-4.5×4800mm 的钢带。锚杆预紧力矩≥300 N·m，锚固力≥190 kN。

锚索采用Φ18.9 mm×8300 mm 的高强度低预应力锚索，间距1200 mm，排距为1600 mm。锚索托板采用长×宽×厚=300 mm×300 mm×14 mm的拱形高强度铁板，球形垫圈配减摩垫圈。每根锚索配套使用三支药卷，上部一支为CK2355 的药卷，下部两支为K2355 的药卷。锚索预紧力≥200 kN，锚固力≥36.3 T。

（2）帮锚支护。两帮锚杆采用Φ22 mm×2000 mm 的螺纹钢锚杆进行支护，间距700 mm，排距800 mm，“三·三”矩形布置。每根锚杆配套使用2 支K2355 树脂药卷。锚杆安装时采用BHW280-4.5×400mm 的钢带托板与150 mm×150 mm×10 mm 的可调心拱形高强度托盘，球形垫圈配减摩垫圈。锚杆预紧力矩≥300 N·m，锚固力≥190 kN。

3 加固方案数值模拟研究

3.1 模型方案

为确定合理的注浆加固方案，采用FLAC3D数值软件建立三维计算模型，分析三种注浆加固方案下围岩的变形控制效果。

加固方案一：对巷道顶板及煤柱帮进行浅层注浆加固；

加固方案二：对巷道顶板进行浅层+深层相结合的注浆加固，煤柱帮进行浅层注浆加固；

加固方案三：对巷道顶板进行浅层+深层相结合的注浆加固，煤柱帮进行深层注浆加固。

注浆加固方案中围岩浅部采用注浆管注浆，围岩深部采用锚索注浆。

3.2 数值模型建立

所建模型的尺寸长×宽×高为200 m×90 m×60 m，模型总共374 670 个实体单元，379 821个网格节点，在模型中，锚杆、锚索采用cable 单元进行模拟，混凝土衬砌采用实体单元Elastic 模型，采用莫尔-库伦屈服准则。所建模型如图1。

图1 三维数值模型图

模型前后左右边界均设置为水平约束力；模型的底面设置为固定约束边界，使其在任何方向上部发生位移；模型三维顶部设置为自由边界，施加等效荷载。

各岩层的物理力学参数见表1。

表1 围岩物理力学参数

3.3 结果与分析

在18509 工作面运输巷道开掘期间，不同加固方案下，煤柱帮垂直应力以及巷道底板的水平应力变化情况如图2、图3。

由图2、图3 可以看出，加固方案一和加固方案二在煤柱帮均采用浅层注浆方案，二者在注浆范围内的应力大体一致；加固方案三在煤柱帮采用深层注浆方案，浅层围岩应力值最大，可知采用注浆锚索进行煤柱帮加固，可明显提高其围岩的承载能力。

图2 煤柱帮垂直应力变化曲线图

图3 巷道底板的水平应力变化曲线图

4 工业性试验

在18509 工作面运输巷道掘进工作面采用方案三实施注浆加固，巷道的顶板浅层加固采用Φ20 mm、长度2000 mm 的注浆管，间排距为1500 mm×1600 mm；顶板深层加固采用Φ20 mm、长度8300 mm 的中空注浆锚索，间排距为1250 mm×1600 mm；巷道煤柱帮采用Φ20 mm、长度5300 mm 的中空注浆锚索，间排距为1100 mm×1600 mm。注浆加固方案如图4。