厚煤層沿空巷道錨注一體化加固技術研究及應用

李 鑫，劉光饒，孫 軻，陳桂磊，郭 鵬，王 濤，牛金華

(1.泰山信息科技有限公司，山東 泰安 271000；2.新上海一號煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000；3.鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000；4.山東能源集團 魯西礦業(yè)有限公司，山東 菏澤 274000；5.江西理工大學 資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000；6.山東澤明能源科技有限公司，山東 泰安 271000)

工作面巷道的開挖、相鄰工作面的側向支承壓力和本工作面的超前支承壓力通常是采動巷道發(fā)生大變形破壞的主要原因，嚴重制約著煤礦的安全生產[1-4]。針對煤巷的破壞機理及穩(wěn)定性控制問題，眾多學者進行了大量的研究[5-8]。潘俊鋒[9]以古山煤礦為工程背景，揭示了巷道的非對稱破壞原理，提出了全斷面錨索、網、噴聯(lián)合非對稱支護方法，現(xiàn)場表明此種支護方案能夠有效的控制圍巖的穩(wěn)定性。陳可夯[10]對鶴煤九礦3204工作面錨索支護進行了優(yōu)化分析，得到了最優(yōu)的錨索支護方式，現(xiàn)場支護效果明顯。王恩[11]針對劇烈采動影響下煤巷的穩(wěn)定性控制問題，采用數(shù)值模擬方式，闡述了受相鄰工作面和本工作面采動影響的巷道的破壞機理，提出了高預應力錨桿(索)與桁架組合的非對稱支護技術。靖洪文[12]為研究深部煤巷的沖擊冒頂機理，采用PFC2D建立了錨桿索錨固巷道模型，再現(xiàn)了高應力和動載擾動耦合作用下煤巷的沖擊冒頂全過程特征。郝嘉偉[13]闡述了受上煤層開采影響的巷道的圍巖變形破壞特征，以數(shù)值模擬的方式，分析了影響巷道變形破壞的層間距、煤柱錯距、下煤層區(qū)段煤柱寬度和上煤層區(qū)段煤礦寬度四個影響因素。高曉君[14]采用理論分析和現(xiàn)場實測的方法，分析了雙翼開采條件下煤巷圍巖裂隙演化規(guī)律和圍巖分區(qū)劣化特征，并提出了針對裂隙區(qū)的支護三區(qū)：淺部支護區(qū)、中部支護區(qū)和深部支護區(qū)，此種技術方案能有效的保證煤巷群的穩(wěn)定性。付建華[15]分析了鄭州礦區(qū)“三軟”煤層巷道的失穩(wěn)因素，揭示了錨桿支護的作用機理，并提出了三軟特厚煤層錨網支護技術設計，并驗證了此種支護設計的有效性。徐祝賀[16]針對特厚煤層大斷面煤巷劇烈變形和難支護的問題，采用數(shù)值分析研究了頂煤厚度和巷道寬度對巷道穩(wěn)定的影響，并提出了“大、小錨桿”協(xié)同控制體系，現(xiàn)場應用效果較好。

布爾臺煤礦42108工作面為綜放開采回采工藝，工作面頂板直接頂為厚砂質泥巖、基本頂為厚穩(wěn)定細砂巖，具有強度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強等特點，工作面在回采過程中易導致周期來壓步距大，來壓強度高，工作面動載礦壓顯現(xiàn)明顯，造成工作面頂板漏頂，巷道幫鼓嚴重，最大幫鼓量達到2.4m，超前支架拉架和工作面推溜、拉架困難，嚴重制約礦井安全生產。為了有效控制巷道頂板下沉、兩幫幫鼓及頂幫破碎，開展以中空注漿錨索為核心的錨注加固支護技術應用研究，形成回采巷道錨注加固支護技術及施工體系，從而有效降低圍巖變形，保障巷道安全穩(wěn)定。

1 工程概況

布爾臺煤礦為神華神東煤炭集團有限責任公司所屬的特大型主力生產礦井。由中煤國際工程集團武漢設計研究院2005年設計，設計生產能力2000萬t/a，2008年開工建設，2011年試生產，2014年達產。現(xiàn)主采22煤和42上煤層。

42108綜放工作面位于42煤一盤區(qū)，工作面傾向長度313.2m，走向長度4728.4m。采高3.7m，放煤高度2.4m，采放比1∶0.65?；夭啥蚊簩勇裆?80～410m，煤層厚度4.6～6.2m，傾角1°～3°。42108輔運巷道臨近42107工作面，42108工作面布置如圖1所示，隔離煤柱為35m，42108工作面煤層直接頂巖性以灰色砂質泥巖為主，基本頂巖性為細粒砂巖為主。

圖1 42108工作面區(qū)域采掘工程平面布置

2 42108輔運巷道原支護設計

42108工作面輔運巷道為矩形斷面，斷面凈寬5400mm，凈高3800mm，斷面面積20.52m2，采用“錨桿+錨索+鋼筋網+鋼帶”的聯(lián)合支護方式。原有支護形式如圖2所示。

圖2 原有支護形式(mm)

42108工作面輔運巷道頂板采用?22mm×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，4根/排，中間2根間距為2000mm，其他2根為間距1500mm，排距為750mm，走向按照根數(shù)“4-2-4”的布置方式進行交替支護。采用?22mm×8000mm錨索，3根/排，間排距為2100mm×1500mm。

42108輔運巷道負幫采用?18mm×2100mm右旋螺紋鋼錨桿，幫部走向按根數(shù)“4-3-4”的形式交替布置，錨桿排距為750mm。42108輔運巷道正幫采用?27mm×2100 mm玻璃鋼錨桿，幫部走向按根數(shù)“4-3-4”的形式交替布置，錨桿排距為750mm。

3 原支護破壞特征及影響因素分析

3.1 圍巖破壞特征

分別在42108輔運巷道距離切眼1920m和1960m處設觀測站，編號為FY-048、FY-049，圍巖變形數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。

圖3 FY-048測點圍巖變形統(tǒng)計曲線

圖4 FY-049測點圍巖變形統(tǒng)計曲線

通過FY-048測點和FY-049測點觀測可看出，當距離工作面100m左右時巷道開始出現(xiàn)幫鼓現(xiàn)象，且隨工作面推進巷道圍巖移近量不斷增大；當距離工作面50m左右時累計幫鼓量150～300mm，底鼓量70～100mm。當工作面進入超前支架范圍內，受采動影響更加明顯，距離工作面30m左右時兩幫移近量300～500mm，頂?shù)装逡平?00mm以上；距離工作面10m左右時，兩幫移近量接近700mm，頂?shù)装逡平?50mm以上，圍巖變形明顯。

綜上說明，42108輔運巷道圍巖受工作面回采采動影響，圍巖變形較為明顯，特別是當工作面回采至距離測點50m范圍內時，圍巖變形顯著增加。

3.2 破壞原因分析

1)巖石強度：42108輔運巷道頂?shù)装逡约毶皫r及砂質泥巖為主，砂巖大部分為泥質膠結，較疏松易碎，巖石的吸水狀態(tài)和天然狀態(tài)下的抗壓強度較低，基本在40MPa以下，抗拉強度大多在1.5～3.0MPa之間，砂質泥巖類吸水狀態(tài)抗壓強度明顯降低，為軟化巖石，造成頂?shù)装鍑鷰r極易風化破碎、遇水軟化變形。

2)強采動應力疊加的影響：42108輔運巷道鄰近42107工作面采空區(qū)，相鄰采空區(qū)存在垮落不實區(qū)域，垮落不實區(qū)域對42108工作面煤壁側向支承壓力較大；且受42107工作面一次采動和42108工作面二次采動影響，輔運巷道礦壓顯現(xiàn)明顯。

3)厚層堅硬頂板影響：由該區(qū)域的地質綜合柱狀圖可看出，直接頂厚度6～26m，平均22m，基本頂厚度14～58m，平均24m，均為較厚巖層，造成直接頂垮落后采空區(qū)充填程度高，基本頂不易垮落，基本頂對工作面前方煤壁及側方煤柱支承時間長，應力集中程度高，造成附近巷道壓力大。

4)水的影響：大量的現(xiàn)場實踐和室內實驗表明，水對巖石和煤層的狀態(tài)有顯著影響[17]。巖石和煤層遇水后，隨水分的增加其強度將逐漸降低，即出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，從而加快塑性變形或流變的進程，造成井下支護的變形和破壞。

4 42108輔運巷道破壞機制數(shù)值分析

4.1 建立數(shù)值模型

圖5 數(shù)值模型

以布爾臺煤礦42108工作面為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，再現(xiàn)42108輔運巷道在巷道開挖、相鄰工作面開挖和本工作面開挖過程中的變形及應力規(guī)律。模型尺寸270.4m×100m×100m(長×寬×高)，模型四周和底板為位移約束，頂部施加豎向應力模擬上覆巖層的重力。整個模型劃分網格數(shù)為259700。采用Mohr-Coulomb本構模型，模型如圖5所示。根據(jù)地質勘探時地層巖石力學測試結果，確定模型中各巖層參數(shù)，見表1。

表1 數(shù)值模型參數(shù)

4.2 42108輔運巷道開挖

通過數(shù)值計算，得到42108輔運巷道開挖應力及位移變化如圖6所示。

圖6 42108輔運巷道開挖

由42108輔運巷道開挖過程中的巷道變形可知，在原支護條件下，巷道垂直應力對稱分布，垂直應力為12.6MPa，應力集中系數(shù)為1.26，水平應力為12.2MPa，應力集中系數(shù)為1.22。頂?shù)装宓奈灰品謩e為148mm，89mm，左幫位移為147mm，右?guī)臀灰茷?45mm。

4.3 42107工作面開挖

通過數(shù)值計算，得到42107工作面開挖應力及位移變化如圖7所示。

圖7 42107工作面開挖

由42107工作面開挖過程中的巷道變形可知，在原支護條件下，巷道垂直應力呈現(xiàn)非對稱分布，左幫受相鄰工作面開挖的影響，應力集中區(qū)域向左幫煤柱擴展和偏移，應力集中系數(shù)為2.04。水平應力也出現(xiàn)明顯的非均勻分布特征，巷道頂板右上角出現(xiàn)兩個明顯的水平應力集中區(qū)，應力集中系數(shù)為1.19。巷道頂板煤層變形明顯，達340mm，左右?guī)妥冃螢?66mm和281mm，變形明顯增加。

4.4 42108工作面開挖

通過數(shù)值計算，得到42108工作面開挖應力及位移變化如圖8所示。

圖8 42108工作面開挖

由42108工作面開挖過程中的巷道變形可知，應力的集中程度繼續(xù)增加，巷道右?guī)痛怪睉υ黾訛?0MPa，應力集中系數(shù)由2.04增加為3；水平應力增加為14.5MPa，應力集中系數(shù)由1.19增加為1.45。

在42108工作面的影響下，巷道頂煤變形和右?guī)妥冃蚊黠@，分別為658mm和602mm。三個開挖過程中巷道圍巖變形曲線如圖9所示。

圖9 42108輔運巷道圍巖變形曲線

5 42108輔運巷道錨注控制對策及效果分析

通過對42108輔運巷道實際現(xiàn)場監(jiān)測結果分析可知，在原支護條件下，受強擾動、地下水、巖石性質等因素影響，巷道變形破壞大，圍巖條件差，巷道支護困難，嚴重影響回采過程中巷道的穩(wěn)定性，因此，為從根本上改變巖石性質，提高圍巖自身承載能力，對42108輔運巷道采用錨注一體化支護效果進行分析。

5.1 42108輔運巷道錨注控制對策

42108輔運巷道注漿段距離切眼1456.87m，注漿長度為1075m，具體設計方案如圖10所示。

圖10 42108輔運巷道注漿段支護(mm)

具體支護參數(shù)如下：頂板支護：使用規(guī)格為?22mm×7300mm中空注漿錨索，在巷道原支護的基礎上在中部增加1排中空注漿錨索，排距2000mm，距正幫2200mm。

幫部支護：使用規(guī)格為?22mm×4300mm中空注漿錨索，垂直巖面布置。副幫施工2排中空注漿錨索，間排距1000mm×2000mm，上部錨索距離頂板1200mm；正幫因管道阻礙只施工一排注漿錨索，間距2000mm，距頂板2100mm。

5.2 42108輔運巷道錨固控制效果數(shù)值模擬分析

在注漿錨索支護下，42108輔運巷道開挖應力和變形變化如圖11所示。

相比與原支護，注漿錨索支護下巷道的圍巖應力有所降低，垂直應力降低至11MPa，水平應力降低至10.7MPa；圍巖的頂、底、左和右?guī)臀灰品謩e為123mm、74mm、126mm和126mm。分別降低了16.9%，16.7%，14.3%和14.2%。

5.3 42108工作面回采錨固控制效果數(shù)值模擬分析

在注漿錨索支護下，42108工作面開挖后對42108輔運巷道巷道應力和變形進行分析，如圖12、圖13所示。

圖12 42108輔運巷道圍巖變形(錨注支護)

圖13 42108輔運巷道圍巖變形(錨注支護)

相比與原支護，注漿錨索支護下巷道的圍巖應力有所降低，垂直應力降低至26.6MPa，水平應力降低至13.2MPa；圍巖的頂、底、左和右?guī)臀灰品謩e為149mm、26mm、7.7mm和79mm，分別降低了77.3%，62.9%，98.3%和86.8%。

5.4 現(xiàn)場應用效果分析

5.4.1 注漿施工用量

42108輔運巷道頂板和兩幫112根中空注漿礦用錨索共注漿984kg。其中，頂板28根共注漿268kg，正幫28根共注漿300kg，副幫56根共注漿416kg。頂板和幫部的注漿量和注漿壓力如圖14、圖15所示。

圖14 42108輔運巷道注漿量

圖15 42108輔運巷道注漿壓力

5.4.2 現(xiàn)場巷道變形

設置1、2號監(jiān)測點對巷道變形進行監(jiān)測分析，監(jiān)測結果如圖16、圖17所示。

圖16 42108輔運巷道1號測點變形

圖17 42108輔運巷道2號測點變形

通過1號監(jiān)測點變形數(shù)據(jù)分析可得，當工作面距離測點140～60m時，42108輔運巷道的變形幾乎為0，當工作面距離測點37m時，頂?shù)装彘_始變形，為50mm；當工作面距離測點為10m時，幫部開始變形，累計變形為100mm，最終巷道頂?shù)装謇塾嬜冃螢?0mm，幫部累計變形為200mm。

通過2號監(jiān)測點變形數(shù)據(jù)分析可得，當工作面距離測點140～60m時，42108輔運巷道的變形幾乎為0，當工作面距離測點37m時，頂?shù)装彘_始變形，為45mm；當工作面距離測點為10m時，幫部開始變形，累計變形為100mm，最終巷道頂?shù)装謇塾嬜冃螢?0mm，幫部累計變形為100mm。

綜上所述，在中空錨索注漿支護下，巷道能夠承受采動影響導致的變形和壓力，能夠保證巷道的穩(wěn)定性。

5.4.3 頂板離層變化

42108輔運巷道錨注加固試驗段內安裝錨桿(索)應力傳感器和頂板離層儀。監(jiān)測結果如圖18和圖19所示。

圖18 42108輔運巷道離層監(jiān)測測站

圖19 42108輔運巷道注漿段錨索受力監(jiān)測

通過離層監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，工作面從接近到推過試驗段，頂板離層值基本無變化，最大離層值為1mm。

工作面推采至錨注加固試驗段附近時，工作面未呈現(xiàn)明顯的來壓跡象，錨桿(索)應力無明顯變化，僅在工作面100#至機尾段存在頂板破碎、局部有漏矸現(xiàn)象。

綜上表明，巷道進行錨注加固支護后，通過注漿實現(xiàn)了錨索的全長錨固，且通過對破碎圍巖進行圍巖改性，使圍巖膠結形成一個整體，并配合錨索網支護，形成了一個有效的多層組合拱，從而提高了支護結構的整體性和承載能力[18-21]。

6 結 論

1)傳統(tǒng)的錨網索支護難以抵抗工作面的采動影響，由數(shù)值分析可得，受工作面采動影響，圍巖應力分布極不均勻，應力集中明顯，圍巖呈現(xiàn)非對稱變形特征，與現(xiàn)場實測幫部最大變形700mm較為一致。

2)提出了“中空注漿礦用錨索+注漿加固”支護方式，數(shù)值結果表明，應力集中降低，圍巖頂部變形控制在149mm以內，幫部變形控制在79mm以內，能夠有效的保證采動影響巷道穩(wěn)定性。

3)錨注支護對策應用至42108輔運巷道，現(xiàn)場結果表明，在42108工作面推采至錨注加固試驗段時，頂板幾乎無離層，頂板下沉量控制在70mm以內，底臌量控制在100mm以內，幫部變形控制在200mm以內，錨桿(索)應力值基本無變化，應用效果良好。