双侧采动叠加应力影响下盘区巷道加固技术研究

2023-12-09张鹏

山东煤炭科技 2023年11期

张鹏

（晋能控股装备制造集团，山西晋城 048000）

在双侧采动叠加应力影响下，盘区大巷失稳破坏，严重制约矿井安全高效生产。受采煤工艺提升、开采装备优化、煤炭需求趋紧等诸多因素影响，矿井产能不断提升，随之而来的是开采强度的增加，强烈的矿山压力导致受动压影响巷道收敛变形严重。如何提高破碎围岩整体性与完整性，成为巷道修复的关键。注浆加固技术通过浆液渗入围岩裂隙，改善其物理力学性质，提高围岩整体抗压强度，现场应用范围广泛[1-3]。本文针对寺河矿盘区大巷受双侧采动叠加应力影响维护困难，在调研现场生产地质条件、巷道变形特征、围岩裂隙窥视的基础上，提出“围岩改性+锚索补强”联合支护方式[4-8]，为类似情况下盘区巷道治理提供借鉴。

1 工程概况

寺河矿东翼四条盘区大巷布置在5303 和5304两个工作面之间，埋深320～350 m，东西走向布置，与工作面推进方向平行。四条盘区大巷从北向南依次为胶带运输巷、辅助运输巷、回风一巷（岩巷）、回风二巷。煤巷均沿3#煤层底板掘进，断面尺寸宽×高=5.0 m×4.0 m，留2.2 m 厚煤顶。岩巷布置在3#煤层上覆顶板岩层中，断面为直墙半圆拱形，距3#煤层顶板约14 m。巷道布置与层位关系如图1。东翼盘区大巷布置方向与5303、5304 工作面推进方向平行，先后受到5303、5304 工作面整个回采阶段动压影响，动压影响时间长，叠加应力强度高。回风二巷与53033 巷之间净煤柱尺寸仅为35 m，辅运巷距回风一巷与胶带巷分别为10 m、15 m，巷道布置密度高且护巷煤柱尺寸偏小，巷道变形剧烈，以东翼回风二巷变形规律监测与巷道治理进行研究。

图1 东五盘区东翼集中巷布置图（m）

2 巷道变形破坏特征分析

2.1 巷道表面位移监测

受5303、5304 工作面采动影响，东翼四条盘区大巷均出现不同程度的围岩收敛变形现象。5304 工作面已回采结束，为了详细掌握受采动影响巷道变形情况，在5303 工作面回采期间于东翼回风二巷布置多组表面位移测点，取其中一处巷道围岩变形监测数据进行分析，如图2 所示。东翼回风二巷顶底板移近量最大值360 mm，两帮移近量最大值510 mm。受采动影响80 d 后，顶底板移近量与两帮移近量均趋于稳定。从监测曲线可知，后续需加强盘区巷道帮部支护强度，防止巷道变形影响矿井生产。

图2 东翼回风二巷位移监测曲线

2.2 巷道围岩裂隙窥视

5303 工作面回采结束后在上述测点旁进行钻孔窥视，掌握围岩内部裂隙发育情况。钻孔直径32 mm，钻孔深度10 m，窥视结果见表1。受5303 工作面采动影响，巷帮主要破碎深度集中在3.5 m 以内，最大破碎深度在4.76 m 以内，最大破碎长度66 mm。现场应进行浅部围岩注浆加固，深部围岩完整性较好，具有良好的承载能力。

表1 钻孔窥视结果

3 动压巷道支护形式

1）锚杆、锚喷支护

锚杆支护优势在于向巷道围岩提供及时、主动的有力支护，喷射混凝土起到及时封闭破碎围岩，减少水、风等对围岩强度的不利影响。锚杆、锚喷支护是一种性能优良、适宜于动压巷道、软岩巷道的最优支护形式。但是，支护参数要与现场围岩结构、采动影响等相结合，方能取得较好的支护效果。

2）金属支架

金属支架按照原材料差异可分为工字钢、U 型钢支架、钢管混凝土支架等，按照支架形状可分为梯形、拱形、马蹄形、O 型等。U 型钢可缩支架具有良好的几何参数和断面形状，支架受围岩作用后易于收缩变形，在现场装配合理、连接良好的基础上可获得良好的支架力学性能。我国常用的U 型钢可缩支架有U25、U29、U36 三类，同时又可分为围岩全封闭与半封闭两类。然而，U 型钢可缩支架作为一种被动支护形式，施工困难、费用较高，不适宜动压巷道大面积推广。

3）注浆加固

破碎围岩注浆加固主要是利用浆液充填围岩内微小裂隙，将破碎松散岩体胶结起来，提高围岩强度与完整性。目前国内常用于破碎围岩加固的材料可分为两大类：一类是无机材料，包含单液注浆加固材料、双液注浆加固材料等；另一类是有机材料，如不饱和聚酯、环氧树脂、聚氨酯树脂等，其中聚氨酯树脂应用范围最为广泛。注浆加固多用于较为破碎的围岩条件，通常与其他支护方式联合使用。

4）应力控制技术

应力控制技术通常包括优选巷道布置地点，预掘卸压巷道、卸压槽等，将巷道布置于采空区边缘应力降低区或采用人工卸压措施，从而促使巷道周边高应力向深部围岩转移。因其卸压效果良好，后期高应力巷道变形往往得到有效控制，成为强动压影响下巷道治理的有效手段。

4 巷道加固方案

东翼回风二巷受多次采动影响巷道围岩已经相当破碎，裂隙相当发育。为了提高破碎岩体的可注性，防止浆液向浅部扩散时大量泄漏，影响注浆效果，对围岩表面实施喷浆。注浆过程中浆液主要以充填、渗透注浆为主，同时伴随着注浆压力的升高有微小裂隙的劈裂注浆。注浆加固的作用是通过高压将具有黏结性的浆液充填到受动压破坏的围岩内部裂隙，将破碎围岩固结成新的整体，其内部重新形成连续的结构体，提高其完整性与承载能力，有助于锚杆（索）锚固力的传递，大幅提高破碎围岩加固质量和效果。动压巷道经高压注浆加固后，破碎围岩整体性得到改善，但承载能力相对于原岩状态仍然较弱，单纯采用注浆方式不利于动压巷道后期稳定，现场需补打锚索进行补强加固。施工强力锚索的目的是在动压巷道破碎围岩恢复连续性后，对其施加强力的边界条件，有效提高其承载能力，防止围岩遭受二次破坏，保障巷道安全使用。

经综合分析论证，提出东翼回风二巷加固的方案：巷帮浅孔注浆加固+围岩表面喷浆+强力锚索补强联合支护技术。

4.1 巷帮注浆加固

受强动压影响巷帮煤体松软破碎，从前期钻孔窥视结果来看，巷帮破碎深度在4～5 m，导致已施工锚杆锚固力不足，刷帮作业时极易发生片帮事故，因而巷修前应进行煤帮预注浆加固。预注浆钻孔呈“三花”形布置，钻孔直径42 mm，孔深6 m，上排孔距巷道顶板1 m，排距6 m，垂直巷帮施工；下排孔距巷道底板1 m，排距6 m，垂直巷帮施工，开孔位置可根据现场实际情况进行微调，如图3。选用速凝早强注浆材料，水灰比控制在0.6～0.8之间，注浆终止压力在3～4 MPa。注浆过程中遭遇煤帮漏浆情况，应及时进行堵漏处理，如局部出现严重漏浆导致注浆量不达标时，后期应进行二次补注。

图3 巷帮预注浆钻孔布置（m）

联邦无机加固材料作为一种新型的地质聚合物注浆加固类材料，主要成分为各类无机矿粉，其具备速凝、早强、扩散范围大等诸多优点，同时其与煤体黏结强度较普通硅酸盐水泥类注浆材料有大幅提高。联邦无机加固材料具备以下优势：1）联邦无机加固材料A、B 组分均为无机矿粉，具备无毒、无腐蚀、不自燃等特性，为完全环保型注浆加固材料；2）单组分加水搅拌后，浆液不沉淀、不泌水，具备良好的流动特性，适宜远距离泵送施工；3）单组分浆液混合后，0～5 min 失去流动性，5～15 min即可完全固化，1～8 h 强度能达到8～15 MPa 以上，具备早强、速凝特性，特别适合采煤、掘进工作面等时效性较高的地点加固需求；4）联邦无机加固材料水灰比可在较大范围调整（0.5～2:1），适用于不同破碎程度的围岩加固需求；5）联邦无机加固材料具备较强的可注性，扩散半径可达3～5 m，扩散性可与高分子有机加固材料媲美，其与煤岩体胶结强度较普通硅酸盐类注浆材料有较大幅度提升；6）联邦无机加固材料可采用简易气动注浆系统，其具备设备轻便、系统简单、工人劳动强度低等特点。

经综合论证，确定选用联邦无机加固材料对回风二巷进行巷帮浅孔注浆加固。

4.2 围岩表面喷浆

现场每次刷帮长度控制在2 m 以内。刷帮完成后及时张拉已有的Φ22 mm×4300 mm 锚索作为临时支护，防止片帮事故发生。同时，配合钢筋网片护表，提升支护体整体强度，网片搭接不小于100 mm，采用16#铁丝双股连接，联网间距100 mm。完成临时支护后，立即对巷道围岩进行喷浆封闭，包括巷道两帮及顶板，砂浆强度C20，喷射厚度不低于100 mm，喷层不得出现蜂窝、漏喷等现象。水泥:黄沙:石粉质量比=1:2:2，砂浆拌制完成后加入速凝剂，其质量为水泥质量的4%。

4.3 锚索补强支护

1）回风二巷掘进期间顶板支护。采用锚网索组合支护方式，锚杆规格Φ22 mm×2400 mm，每排6 根，间排距900 mm×1000 mm；锚索规格Φ22 mm×7300 mm，呈2-0-2 布置，间排距1800 mm×2000 mm；菱形网规格5200 mm×1200 mm。

2）回风二巷巷修期间顶板支护。采用补打锚索进行加强支护，锚索为Φ22 mm×7300 mm，排距1000 mm，钻孔Φ30 mm；锚索托板采用300 mm×300 mm×16 mm 高强度可调心托板及配套锁具，承载能力≥550 kN，锚索预紧力≥250 kN，均垂直顶板打设。补强后锚索呈4-4-4布置。如图4（a）。