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二次扰动巷道注浆支护研究

2024-03-20谢小伟

山西化工 2024年2期
关键词:测站锚索底板

谢小伟

(国家能源神东石圪台煤矿,陕西 榆林 719000)

0 引言

我国煤炭资源丰富,但分布较为复杂,随着开采年限的不断增加,煤炭资源开采的重点逐步向着覆存条件复杂的煤层转移。巷道两次采动影响是矿井开采面临的重要难题[1-2],两次采动影响巷道是指在进行上区段工作面回采时,巷道受到上区段工作面的侧向支撑压力作用,煤岩内部会出现一定的裂缝,此时巷道围岩变形量增大,当进行本区段回采时,巷道受到超前移动支撑压力的作用,使得煤层在受到一次扰动的基础上进一步发生破碎、松动等情况,此时如果不对巷道进行及时的支护及加固,巷道会产生严重的破坏,严重影响矿井的开采[3-4]。为了解决巷道受二次扰动巷道破碎严重的问题,本文以晋华宫矿为研究背景,对巷道围岩加固技术进行研究,为矿井安全开采做出一定的借鉴。

1 背景介绍及模拟研究

1.1 背景介绍

某矿主采12-2#层煤层赋存稳定,结构简单。整体呈单斜构造,属侏罗纪中统大同组含煤地层,煤层走向近北西,倾向北东,煤层倾角1°~11°,平均倾角7°,煤层厚度0.4~7.4 m,平均煤厚4.17 m。3213运输巷服务于两个回采工作面,在上区段回采时负责瓦斯的抽采,本区段开采时承担运输任务,巷道的埋深550 m,断面为矩形断面,巷道宽和高位5 m×3.4 m,全长为1 921 m。煤层顶、底板情况表如表1 所示。

表1 煤层顶、底板情况表

巷道原顶板主要采用锚杆锚索+钢带+金属网进行支护,锚杆采用Φ22 mm×2 400 mm 的左旋无纵筋螺纹钢筋,间排距为1 100 mm×1 000 m,锚索选用Φ22 mm×7 300 mm 钢绞线,间排距为1 500 mm×2 000 mm,采用端部预应力锚固。两帮的支护形式为锚杆+金属网+钢带,锚杆规格与顶板锚杆相同,间排距为900 mm×1 000 mm,巷道原有支护方案如图1所示。

图1 巷道原有支护方案(单位:mm)

1.2 数值模拟研究

目前常见的巷道围岩加固技术有锚杆锚索补强、架棚支护、注浆加固等,综合3213 运输巷的围岩裂隙发育情况后选定注浆加固技术,注浆加固技术是通过对破碎煤岩进行加固,从而提升煤岩自身强度,形成具有较大承载力的支护结构。利用数值模拟对具体注浆加固方案进行分析,根据地质钻孔探测给出3 种注浆加固方案,分别为:方案一,对巷道的顶板及两帮均进行注浆加固,浅部围岩的注浆孔深度为3 m;方案二对顶板及两帮浅部围岩进行预先注浆加固,后通过注浆锚索对巷道的深部围岩进行加固,浅部围岩注浆孔深度为3 m,注浆锚索6 m。方案三对顶板及两帮浅部围岩进行预先注浆加固,后通过注浆锚索对巷道的深部围岩进行加固,浅部围岩注浆孔深度为3 m,顶板及两帮注浆锚索分别为7、6 m,同时对两帮利用普通锚索进行补强。分别对三种方案下的巷道围岩变形量进行分析,巷道顶板及两帮移近量曲线如图2 所示。

图2 巷道顶底板及两帮移近量曲线

图3 注浆封孔示意图

从图2 中可以看出,在工作面开采扰动作用下,此时巷道顶板出现下沉及底鼓,两帮变形等现象,随着距工作面距离的增加,不同加固方案下的巷道顶底板位移量呈现逐渐降低的趋势。根据曲线可知工作面位置出现顶底板的位移量最大值,在原支护条件下,顶底板的位移量672 mm,而采取不同补强方案后顶板底板的位移量均呈现降低趋势,三种支护方案下的顶板底板位移量最大值分别463、422、389 mm,对比原支护方案分别下降了31.3%、37.2%、42.1%。两帮的移近量随随着距工作面距离呈现先增高后降低的趋势。在距工作面前方巷道0~5 m 范围内,此时的两帮移近量增长达到峰值,在原支护条件下此时的两帮变形量峰值为588 mm,而三种不同加固方案下,移近量峰值分别为493、390、234 mm,对比原支护方案分别降低了16.2%、33.7%、60.2%。根据模拟可以看出,选定第三种注浆加固方案时,巷道围岩变形均处于最小值,围岩控制效果最佳。

2 工业化试验

对注浆加固技术进行工业性研究,注浆材料选用P.O42.5 普通硅酸盐水泥,并配有添加剂XPM,具体注浆工艺流程按照喷射混凝土、打钻孔、封孔、注浆流程进行施工,注浆封孔示意图如3 所示。

在注浆施工中,适当增加封孔段长度。浅部注浆封孔长度设定为1 000 mm,而深部注浆孔封孔长度适当加长,选定为1 500 mm。在注浆封孔段两端的钢管上裹紧棉纱,完成后在封孔段注入封孔浆液,注浆后需要静置20 分钟后便可进行注浆施工。

注浆方案如下:在工作面的前方120 m 外范围实行浅部注浆,而在工作面前方80 m 处实行深部注浆,距工作面的开切眼0~250 m 位置为常规注浆加固段,往后100 m 进行分阶段注浆加固段。为了验证注浆加固围岩控制效果,对围岩变形进行监测,在距离开切眼150 m 的位置每20 m 布置测站,共有10 个测站,其中1—5 号测站监测常规注浆加固,而测站6—10负责分阶段注浆加固段,测站布置示意图如图4 所示。

图4 测站布置示意图

经过监测得出各测站围岩变形的最大值,绘制直方图观测不同测站巷道围岩变形情况,直方图如图5所示。

图5 测站布置示意图

在巷道采用注浆加固技术后,侧向支撑压力及超前支撑压力影响下的围岩总变形量整体较小,顶板底板变形量最大值为294 mm,而两帮的移近量最大值为417 mm,巷道变形量在回采阶段能够满足使用要求,同时分阶段注浆加固段的整体变形量小于常规注浆加固段,注浆加固效果更加明显。

3 结论

1)随着距工作面距离的增加,不同加固方案下的巷道顶底板位移量呈现逐渐降低的趋势,而两帮的移近量随随着距工作面距离呈现先增高后降低。

2)通过数值模拟对比三种注浆加固方案下巷道围岩变形情况,确定了最佳注浆方案,为后期工业化试验提供依据。

3)经过工业化试验可以看出,经过注浆加固后巷道变形量能够满足使用要求,且分阶段注浆加固段的整体变形量小于常规注浆加固段。

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