，

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計研究分院，北京 100013)

強(qiáng)采動下近距離硐室群圍巖應(yīng)力演化及加固對策

姜鵬飛1,2，郭相平1,2

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院，北京100013)

以成莊煤礦井下甲、乙水倉及變電所等近距離硐室群為背景，采用FLAC3D有限差分程序計算分析了2322工作面強(qiáng)采動下近距離硐室群圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，采用UDEC離散元軟件研究了近距離硐室群注漿加固機(jī)理，并提出了相應(yīng)的加固對策。研究結(jié)果表明：成莊煤礦甲、乙水倉及變電所等近距離硐室群開挖后，圍巖間垂直應(yīng)力疊加效應(yīng)較水平應(yīng)力更為明顯，但水平應(yīng)力集中程度更高；2322工作面回采引起煤柱支承壓力向底板傳遞，受煤柱高應(yīng)力與底板高應(yīng)力疊加作用，硐室變形特征將首先表現(xiàn)為強(qiáng)烈底鼓；相同注漿壓力和水灰比條件下，沿注漿孔切向方向漿液的擴(kuò)散半徑大于沿徑向的擴(kuò)散半徑；注漿錨索加固后，硐室群淺部圍巖承載力大幅提高，工作面回采產(chǎn)生的強(qiáng)烈采動應(yīng)力由深部轉(zhuǎn)移至淺部，防止了深部巖體的進(jìn)一步破壞。井下試驗(yàn)表明，注漿錨索加固后，2322工作面回采過程中各硐室圍巖保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)采動影響下近距離硐室群圍巖變形的有效控制。

強(qiáng)采動；近距離硐室群；應(yīng)力演化；漿液擴(kuò)散；注漿錨索

1 概述

煤礦井下水倉、變電所等硐室具有斷面大、長度短、布置密集、服務(wù)年限長、穩(wěn)定性要求高等特點(diǎn)[1-2]。尤其是硐室群與巷道相互臨近，且受到工作面回采過程中強(qiáng)烈采動應(yīng)力作用，實(shí)現(xiàn)其有效支護(hù)變得更為困難[3-4]。在采動引起的高應(yīng)力作用下，松散巖體擠向自由空間，硐室群圍巖發(fā)生強(qiáng)烈剪切變形[5-7]。

近距離硐室群圍巖穩(wěn)定性控制方法主要有3種：一是錨桿錨索支護(hù)；二是注漿加固；三是金屬支架支護(hù)等。近年來，又發(fā)展了針對近距離硐室群的注漿錨索聯(lián)合支護(hù)加固技術(shù)，通過注漿將硐室群破碎圍巖黏結(jié)，恢復(fù)圍巖的完整結(jié)構(gòu)，提高其整體強(qiáng)度[8-9]；注漿后再采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，由于注漿后巖體強(qiáng)度的提高，為錨索提供了可錨基礎(chǔ)，進(jìn)而提高了錨索錨固力[10-11]；同時注漿改善了硐室圍巖的完整性，使得錨索預(yù)緊力能夠更有效地擴(kuò)散在圍巖中，有利于提高支護(hù)效果，目前該方法已廣泛應(yīng)用于硐室及巷道圍巖的加固。

但是，目前注漿錨索聯(lián)合支護(hù)加固技術(shù)在理論上研究落后于現(xiàn)場實(shí)踐，工作面強(qiáng)烈動壓對硐室群圍巖應(yīng)力場演化規(guī)律，注漿加固漿液如何擴(kuò)散，注漿參數(shù)如何選取等仍需進(jìn)一步深入研究。本文以成莊煤礦為例，研究井下水倉、變電所及近距離巷道等在受到工作面強(qiáng)烈采動影響后應(yīng)力場演化規(guī)律，研究不同注漿壓力、不同水灰比水泥漿液在圍巖中的擴(kuò)散特征，提出合理的注漿參數(shù)，并進(jìn)行井下試驗(yàn)與效果評估。

2 工程概況

成莊煤礦二盤區(qū)下部甲乙水倉、變電所等硐室，距離近，巷間距(中-中)13～30m，將服務(wù)于二盤區(qū)后期回采全過程，服務(wù)年限在10a以上，該區(qū)域北側(cè)分別布置有3條盤區(qū)大巷：2102，2103和2104，上述硐室及巷道形成了近距離硐室群，巷道圍巖穩(wěn)定性差，受擾動后極易變形。二盤區(qū)下部變電所、水泵房投入使用后，均發(fā)生了不同程度的底鼓，已影響正常使用，且2322工作面將進(jìn)行回采，區(qū)域硐室、巷道圍巖將經(jīng)受強(qiáng)烈的回采動壓影響。為確保礦井正常安全生產(chǎn)，必須采取有效措施對二盤區(qū)下部水倉、變電所等硐室圍巖進(jìn)行加固，以滿足2322工作面回采采動應(yīng)力作用后不發(fā)生劇烈變形。各巷道、硐室及工作面布置關(guān)系如圖1所示。

圖1 各巷道硐室和工作面之間的關(guān)系

對成莊煤礦井下巷道圍巖進(jìn)行了地應(yīng)力測試，其垂直應(yīng)力為7.8MPa，最大水平應(yīng)力為8MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹45°W。硐室群頂?shù)装迕簬r層分布綜合柱狀見圖2。

圖2 煤巖層分布柱狀

3 強(qiáng)采動下硐室群圍巖應(yīng)力場演化規(guī)律

3.1 數(shù)值模型及模擬方案

采用FLAC3D數(shù)值計算軟件模擬分析強(qiáng)采動下硐室群圍巖應(yīng)力場演化規(guī)律。模擬中采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，模型嚴(yán)格按照成莊煤礦實(shí)際工程地質(zhì)狀況建立，共劃分134940個單元，144795個節(jié)點(diǎn)。邊界條件取為：四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。數(shù)值計算模型各硐室及巷道布置見圖3所示。

圖3 巷道與硐室位置關(guān)系

數(shù)值模擬中地應(yīng)力按現(xiàn)場實(shí)測地應(yīng)力水平。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所列。

表1 計算采用的物理力學(xué)參數(shù)

3.2 硐室群圍巖應(yīng)力場分布及演化

首先模擬硐室及巷道在掘進(jìn)過程中的應(yīng)力場分布特征，再分別模擬2322綜采工作面距離甲水倉距離分別為60m，70m，80m，90m和100m時，硐室以及巷道群巷道圍巖應(yīng)力場演化規(guī)律。

圖4、圖5分別為硐室群開挖后圍巖應(yīng)力場分布，各硐室及巷道掘進(jìn)后，各硐室巷道相互影響，應(yīng)力產(chǎn)生疊加效應(yīng)。2102巷與變電所硐室間距離較近，且硐室斷面相對水倉較大，垂直應(yīng)力疊加明顯。乙水倉和甲水倉之間距離也較近，但由于斷面相對較小，其垂直應(yīng)力存在一定的疊加效應(yīng)。總體上來看，硐室群開挖后垂直應(yīng)力的疊加效應(yīng)較水平應(yīng)力更為明顯；但水平應(yīng)力集中程度更高。硐室群施工后最大垂直應(yīng)力值為14.16MPa，最大水平應(yīng)力值為24.26MPa。

圖4 硐室群開挖后圍巖垂直應(yīng)力場分布

圖5 硐室群施工后圍巖水平應(yīng)力場分布

2322工作面回采后，采動應(yīng)力對硐室群圍巖應(yīng)力場分布影響見圖6～圖10所示。硐室群不受采動影響時，圍巖中的應(yīng)力分布均勻，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。2322工作面回采引起煤柱支承壓力向底板傳遞，導(dǎo)致距離煤柱較近的甲水倉硐室圍巖應(yīng)力集中明顯加強(qiáng)，受煤柱高應(yīng)力與底板高應(yīng)力疊加作用，如不采取底板加固措施，硐室變形特征將首先表現(xiàn)為強(qiáng)烈底鼓。

從2322工作面距離甲水倉的不同距離時應(yīng)力場分布來看，當(dāng)工作面距離甲水倉距離為60m時，煤層回采對甲水倉圍巖的應(yīng)力分布影響明顯，煤柱內(nèi)最大壓應(yīng)力值為37.60MPa；當(dāng)工作面距離甲水倉距離為70m時，煤層回采對甲水倉圍巖的應(yīng)力分布影響也較為明顯，煤柱內(nèi)最大壓應(yīng)力值為36.64MPa；當(dāng)工作面距離甲水倉距離為80m時，煤層回采對甲水倉圍巖的應(yīng)力分布有一定影響，但影響程度明顯減小，煤柱內(nèi)最大壓應(yīng)力值為35.79MPa；當(dāng)工作面距離甲水倉距離為90m時，煤層回采對甲水倉圍巖的應(yīng)力分布有少量影響，煤柱內(nèi)最大壓應(yīng)力值為34.69MPa；當(dāng)工作面距離甲水倉距離為100m時，煤層回采對甲水倉圍巖的應(yīng)力分布影響進(jìn)一步減小，煤柱內(nèi)最大壓應(yīng)力值為33.27MPa。從煤柱中應(yīng)力集中程度來看，隨著2322工作面距離甲水倉距離的增加，其最大應(yīng)力值逐漸降低。

圖6 工作面停采線距水倉60m時應(yīng)力分布

圖7 工作面停采線距水倉70m時應(yīng)力分布

圖8 工作面停采線距水倉80m時應(yīng)力分布

圖9 工作面停采線距水倉90m時應(yīng)力分布

圖10 工作面停采線距水倉100m時應(yīng)力分布

4 近距離硐室群注漿加固機(jī)理分析

為分析硐室群注漿過程中漿液擴(kuò)散規(guī)律，采用UDEC建立甲乙水倉、變電所等硐室群數(shù)值計算模型(圖11)，模擬分析不同注漿參數(shù)下漿液擴(kuò)散效果。

圖11 數(shù)值分析模型

4.1 水泥漿液在圍巖中擴(kuò)散形態(tài)

圖12為注漿壓力3MPa，不同水灰比情況下漿液在硐室群圍巖中的擴(kuò)散形態(tài)。硐室圍巖間的黑色區(qū)域代表注漿擴(kuò)散范圍。根據(jù)模擬結(jié)果，漿液主要擴(kuò)散范圍在硐室與硐室之間的應(yīng)力疊加區(qū)域的破碎巖體中。不同水灰比漿液擴(kuò)散范圍與分布形態(tài)差別很大，在保持注漿壓力3MPa條件下，當(dāng)水灰比為0.5∶1時，漿液在硐室群中的擴(kuò)散范圍很小，且主要分布于硐室間幫部的圍巖中；當(dāng)水灰比為1∶1時，漿液在硐室群頂、幫、底都產(chǎn)生擴(kuò)散，漿液擴(kuò)散范圍顯著增大。

模擬發(fā)現(xiàn)，在煤巖體不產(chǎn)生新的裂隙情況下，漿液主要沿著巖體中的原生裂隙通道進(jìn)行擴(kuò)散。在注漿壓力作用下，漿液以注漿孔為中心，向四周進(jìn)行擴(kuò)散，煤巖層的破碎程度也對漿液擴(kuò)散形態(tài)產(chǎn)生重要影響，硐室群圍巖越破碎、裂隙越發(fā)育，漿液擴(kuò)散范圍越大，并對破碎、裂隙巖體進(jìn)行充實(shí)、黏結(jié)，進(jìn)而達(dá)到加固的效果。

圖12 不同水灰比時漿液在圍巖中的擴(kuò)散形態(tài)

4.2 不同注漿參數(shù)與漿液擴(kuò)散范圍的關(guān)系

對不同注漿參數(shù)下漿液的擴(kuò)散半徑進(jìn)行模擬分析，分別模擬不同注漿壓力和水灰比條件下的漿液擴(kuò)散半徑。為了更全面地分析漿液在硐室圍巖中的擴(kuò)散規(guī)律，將漿液擴(kuò)散半徑分為沿注漿孔切向和徑向兩個不同方向進(jìn)行了研究，不同注漿參數(shù)與漿液擴(kuò)散半徑的相互關(guān)系見圖13。

圖13 不同注漿參數(shù)與漿液擴(kuò)散半徑關(guān)系

從圖13中可以看出，沿注漿孔無論是切向還是徑向方向，隨著注漿壓力的增加，漿液的擴(kuò)散半徑都增大。但在相同注漿壓力和水灰比條件下，沿著注漿孔切向方向漿液的擴(kuò)散半徑要大于沿徑向方向漿液的擴(kuò)散半徑，注漿壓力為5MPa時，沿注漿孔切向方向漿液擴(kuò)散半徑達(dá)到5m，而沿注漿孔徑向方向漿液擴(kuò)散半徑卻為4m。同時，保持相同注漿壓力情況下，不同水灰比時對漿液的擴(kuò)散范圍也存在較大區(qū)別，水灰比為0.5∶1和0.6∶1兩種情況漿液擴(kuò)散半徑相差不大，但當(dāng)水灰比增大到0.7∶1以上時，漿液的擴(kuò)散半徑顯著增加。

4.3 注漿對硐室群圍巖應(yīng)力的影響

對硐室群單純錨索支護(hù)和注漿后錨索支護(hù)進(jìn)行了對比分析(圖14)，由于受硐室開挖和工作面回采影響，硐室圍巖由于已發(fā)生破壞，其承載能力很低，單純采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，硐室?guī)筒勘砻鎳鷰r垂直應(yīng)力約4MPa。采用注漿錨索加固后，硐室群淺部圍巖承載力大幅提高，硐室?guī)筒勘砻鎳鷰r垂直應(yīng)力達(dá)到12MPa，提高了約2倍。從更大范圍來看，采用注漿錨索加固后，由于硐室群圍巖承載能力提高，使得深部圍巖受工作面強(qiáng)烈采動產(chǎn)生的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至注漿后強(qiáng)度增大的淺部圍巖，使硐室群圍巖應(yīng)力分布更為均勻，防止了強(qiáng)烈采動影響下深部巖體的進(jìn)一步破壞，進(jìn)而改善了硐室群圍巖的結(jié)構(gòu)。

圖14 不同加固方式下硐室圍巖垂直應(yīng)力分布

5 井下應(yīng)用

由于甲乙2個水倉受采動影響最為強(qiáng)烈，因此以甲乙水倉為例進(jìn)行圍巖加固方案設(shè)計與井下試驗(yàn)。甲乙水倉為拱形巷道斷面，凈寬4500mm，凈高3850mm。

甲乙水倉原支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù)，底板采用C10混凝土澆筑，硬化厚度100mm。幫頂錨桿為φ20mm×2000mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，矩形布置，間排距800mm。拱部錨桿預(yù)緊力矩不小于120N·m，錨固力不小于100kN。墻部錨桿預(yù)緊力矩不小于80N·m，錨固力不小于70kN。幫頂圍巖采用支護(hù)直徑為15.24mm的錨索補(bǔ)強(qiáng)，長度為5.4m。間排距為2000mm×1600mm，錨索設(shè)計預(yù)緊力100kN。甲乙水倉原支護(hù)方案見圖15所示。

圖15 甲乙水倉原支護(hù)方案

采用該方案后，甲乙水倉圍巖先后發(fā)生不同程度變形。受采動影響后圍巖變形加劇，發(fā)生強(qiáng)烈底鼓現(xiàn)象，水倉嚴(yán)重處起底高度達(dá)到1500mm。

為此，需要對水倉進(jìn)行加固。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，確定甲乙水倉加固方案。

5.1 水倉底板加固

水倉加固前，清淤并拆除軌道、起底厚度350～400mm，加固后硬化底板厚度250～300mm。

底板注漿鉆孔沿巷道走向成排、五花眼布置，排距1500mm，間距1100～1300mm。注漿鉆孔直徑為56mm。鉆孔角度為中線上鉆孔垂直于底板向下，中線兩側(cè)的鉆孔外扎角6～10°。鉆孔深度為(8000±50)mm。

預(yù)埋錨索7d后，安裝并預(yù)緊錨索后，鉆孔全長一次注漿，注漿材料為水泥漿，注漿終止壓力4～6MPa。

采用的錨索規(guī)格為φ22mm，1×19股高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度8300mm。配套φ20mm焊接鋼筋梯梁、高強(qiáng)度拱形托盤、調(diào)心球墊，錨索預(yù)緊力不小于180kN。網(wǎng)片采用φ6.5mm焊接鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔100mm×100mm，規(guī)格3100mm×1500mm。

5.2 水倉幫頂圍巖加固

甲乙水倉幫頂圍巖打設(shè)注漿孔，吸水池附近小巖柱3000mm以下注漿孔埋管注漿后重新打設(shè)錨索，5000mm以上注漿孔直接錨固并安裝錨索，注漿支護(hù)幫頂圍巖，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)護(hù)幫護(hù)頂。

甲乙水倉幫頂注漿鉆孔成排、五花布置，排距1600mm，間距1200～1700mm。鉆孔深度：吸水池附近甲乙水倉三角區(qū)小巖柱段注漿孔深度分別為2500mm，3000mm，5000mm和6500mm，其余注漿鉆孔總深(800030)mm。鉆孔直徑為56mm。注漿孔角度為兩幫底腳鉆孔下扎15～20°，其余注漿孔垂直巖面。

采用的錨索規(guī)格為φ22mm，1×19股高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度8300mm。小巖柱區(qū)水平注漿孔附近或注漿孔內(nèi)安裝錨索長度分別為2800mm，3300mm，5300mm和6800mm。錨索全部安裝于注漿孔內(nèi)，或注漿后附近補(bǔ)打錨索，采用全長錨固方式。錨索預(yù)緊力不低于150kN。注漿終止壓力4～6MPa。

采用上述方案加固后，甲、乙水倉圍巖注漿材料消耗見圖16～圖19所示。

甲水倉底板注漿干水泥消耗330.55t，平均消耗1.92t/m；幫頂圍巖注漿干水泥消耗219.45t，平均消耗1.28t/m。底板及幫頂各斷面材料消耗比較均勻，但各斷面消耗干水泥量較大，說明甲水倉巷道破壞程度相當(dāng)嚴(yán)重。乙水倉底板注漿干水泥消耗29.48t，平均消耗0.253t/m；幫頂圍巖注漿干水泥消耗44t，平均消耗0.38t/m。底板及幫頂各斷面材料消耗比較均勻，說明乙水倉巷道圍巖破壞程度比較嚴(yán)重。

圖16 甲水倉幫頂注漿材料分布

圖17 甲水倉底板注漿材料分布

圖18 乙水倉幫頂注漿材料分布

圖19 乙水倉底板注漿材料分布

注漿錨索加固后，對2322工作面回采過程甲乙水倉等近距離硐室群進(jìn)行了變形監(jiān)測，加固后各硐室圍巖保持穩(wěn)定，兩幫收斂及底鼓最大觀測值均為14mm，通過注漿錨索加固，有效控制了強(qiáng)采動影響下近距離硐室群圍巖巷道大變形。

6 結(jié)論

(1)成莊煤礦甲、乙水倉及變電所等近距離硐室群開挖后，圍巖間將產(chǎn)生應(yīng)力疊加效應(yīng)，相比之下垂直應(yīng)力的疊加效應(yīng)較水平應(yīng)力更為明顯，但水平應(yīng)力集中程度更高。

(2)2322工作面回采引起煤柱支承壓力向底板傳遞，導(dǎo)致距離煤柱較近的甲水倉硐室圍巖應(yīng)力集中明顯加強(qiáng)，受煤柱高應(yīng)力與底板高應(yīng)力疊加作用，如不采取底板加固措施，硐室變形特征將首先表現(xiàn)為強(qiáng)烈底鼓。

(3)煤巖層的破碎程度對漿液擴(kuò)散形態(tài)產(chǎn)生重要影響，相同注漿壓力和水灰比條件下，沿注漿孔切向方向漿液的擴(kuò)散半徑大于沿徑向的擴(kuò)散半徑。

(4)注漿錨索加固后，硐室群淺部圍巖承載力大幅提高，工作面回采產(chǎn)生的強(qiáng)烈采動應(yīng)力由深部轉(zhuǎn)移至淺部，使硐室群圍巖應(yīng)力分布更為均勻，防止了強(qiáng)烈采動影響下深部巖體的進(jìn)一步破壞，改善了硐室群圍巖的結(jié)構(gòu)。

(5)井下試驗(yàn)表明，注漿錨索加固后，2322工作面回采過程中各硐室圍巖保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)采動影響下近距離硐室群圍巖變形的有效控制。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

Stress Development and Reinforcement Countermeasure of Surrounding Rock ofClose-distance Caverns Influenced by Strong Mining

JIANG Peng-fei1,2, GUO Xiang-ping1,2

(1.Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China;2.Coal Mining & Designing Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

Stress development rule of close-distance caverns influenced by 2322 face's strong mining was researched with FLAC3D, and the mechanism of grouting reinforcement for close-distance caverns was researched by applying UDEC software.Corresponding reinforcement countermeasure was put forward.Results showed that after close-distance caverns including water sumps and substation were excavated, superimposition effect of vertical stress of surrounding rock between caverns was more obvious than that of horizontal stress, but horizontal stress concentration degree was larger.Mining of 2322 face result into abutment pressure of coal-pillar moving to floor.Influenced by high stress superimposition of coal and floor, strong floor heave occurred in caverns.Under the condition of the same grouting pressure and ratio of water-to-ash, slurry diffusion radius along tangential direction of hole was larger than that along radial direction.Bearing capacity of caverns' shallow surrounding rock largely increased by reinforcing with grouting anchored-cable.High mining stress was transferred from deep to shallow location, which prevented further failure of deep rock.Underground test showed that after applying grouting anchored-cable, surrounding rock of every cavern could keep stability and deformation of surrounding rock of close-distance caverns influenced by strong mining was effectively controlled.

strong mining; close-distance caverns; stress development; slurry diffusion; grouting anchored-cable

2014-09-25

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.018

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51304119)；天地科技股份有限公司研發(fā)項目(KJ-2013-TDKC-05)；天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化基金項目(KCSJ-SCLZH-2012-01)

姜鵬飛(1984-)，男，四川三臺人，碩士，從事巖石力學(xué)與巷道支護(hù)技術(shù)等方面的研究工作。

姜鵬飛，郭相平.強(qiáng)采動下近距離硐室群圍巖應(yīng)力演化及加固對策[J].煤礦開采，2014，19(6)：68-73.

TD353

A

1006-6225(2014)06-0068-06