薛彥平

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

我國煤炭生產(chǎn)主要是井工開采，開采過程中需要掘進大量巷道，井下巷道失穩(wěn)變形已經(jīng)成為制約煤礦安全高效生產(chǎn)的重要因素，因此，展開井巷支護技術(shù)的研究對煤礦的安全生產(chǎn)尤為重要[1，2]。然而，礦井開采條件千變?nèi)f化，圍巖性質(zhì)、開拓方式也各不相同，這極大程度地增加了巷道支護難度。關(guān)于井巷支護技術(shù)的研究，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開大量工作，形成了諸多支護理論[3-11]。同時，在實用技術(shù)方面我國學(xué)者也取得了大量研究成果，錢鳴高院士[12，13]通過對采場支架—圍巖關(guān)系的研究，建立采場圍巖整體結(jié)構(gòu)與砌體梁力學(xué)模型；孫小巖等[14]對大斷面托頂煤巷道的破壞特征進行分析，提出了大斷面托頂煤巷道“全斷面控型易損部位強化控制技術(shù)”；李民族等[15]對支護材料、方法和支護參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計；王國法等[16]制定了“單架控制→組控制→群控制”三級協(xié)同控制策略和實現(xiàn)方法；張杰等[17]采取內(nèi)部和外部支護相結(jié)合的措施來保證回撤通道圍巖的穩(wěn)定性；張瑞等[18]開展了頂板水力壓裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移保護盤區(qū)大巷技術(shù)試驗，使盤區(qū)大巷變形得到有效控制；米萬升等[19]設(shè)計了錨桿(索)“預(yù)加載荷+承壓器分時散壓”的支護方案；吳擁政等[20]提出了深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控技術(shù)，有效抵御了高動、靜疊加載荷，減小了巷道圍巖整體沖擊變形。綜合上述研究，為保證王坡煤礦安全、高效生產(chǎn)，選取王坡煤礦3209工作面回風(fēng)巷為工程背景，對巷道支護失效、圍巖大變形問題展開分析，優(yōu)化原有支護技術(shù)方案，設(shè)計優(yōu)化支護技術(shù)參數(shù)，并開展現(xiàn)場應(yīng)用。

1 工程概況

王坡煤礦3209工作面主采3#煤層，平均埋深450m，厚度5.97m，傾角6°。該工作面為半孤島工作面，與3207工作面采空區(qū)相鄰布置有回風(fēng)巷和高抽巷，兩條巷道間煤柱寬度7m，回風(fēng)巷與3207工作面采空區(qū)間煤柱寬度20m，如圖1所示?；仫L(fēng)巷以錨網(wǎng)索支護為主，局部變形嚴(yán)重區(qū)域采用錨網(wǎng)索配合U型鋼棚組成的聯(lián)合支護，具體支護參數(shù)如圖2所示。受3207工作面回采形成側(cè)向支承壓力和高抽巷掘進擾動影響，回風(fēng)巷圍巖礦壓顯現(xiàn)十分劇烈，巷道全斷面產(chǎn)生不同程度變形，錨桿、錨索由于變形破斷而失效，金屬網(wǎng)也出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象，頂板W鋼帶嚴(yán)重彎曲變形，甚至撕裂，少數(shù)錨索、托板被壓壞，已經(jīng)嚴(yán)重威脅巷道安全穩(wěn)定。礦方采用刷巷、起底后架設(shè)U型鋼棚的方式對巷道進行了大面積返修，但總體效果仍不理想。因此，為有效控制3209工作面回風(fēng)巷圍巖大變形，確保礦井安全、高效生產(chǎn)，亟需對該巷原有支護技術(shù)方案進行優(yōu)化研究。

圖1 3209工作面巷道布置

2 回風(fēng)巷支護技術(shù)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化支護技術(shù)方案

通常情況下，巷道圍巖控制可以采取棚式支架支護、錨桿、錨索支護和注漿加固等方法[21]。根據(jù)3209工作面回風(fēng)巷圍巖變形破壞特征，加固工程應(yīng)建立在以恢復(fù)圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，利用主動支護對巷道圍巖進行加固。以原有支護強度為前提，結(jié)合大量工程實踐資料，在能夠保證工程質(zhì)量并最大程度減小工程量的前提下對原有支護技術(shù)方案進行優(yōu)化，提出高壓注漿配合強力錨索支護的綜合支護技術(shù)方案。高壓注漿是對破壞巷道圍巖裂隙進行充填，把破碎圍巖進行重新組合，承載能力大幅提高。同時，恢復(fù)或構(gòu)成相對完整的巖體結(jié)構(gòu)，利于錨桿(索)加固的力傳遞，極大提高圍巖加固質(zhì)量和效果。高壓注漿可使破碎圍巖基本恢復(fù)到連續(xù)狀態(tài)，但承載能力依然較低，必須對圍巖進行強化支護。錨索加固就是在破碎圍巖已經(jīng)恢復(fù)連續(xù)性后，對其施加有力作用的邊界條件，使得注漿圍巖承載能力顯著增強，有效防止圍巖發(fā)生二次破壞，確保加固巷道圍巖的穩(wěn)定性。綜上，鑒于3209工作面回風(fēng)巷頂板圍巖裂隙發(fā)育、煤體破碎、兩幫移近量大等情況，經(jīng)研究對巷道幫部和頂板進行注漿加固，巷道幫部輔以注漿錨索補強支護。巷道支護加固工藝為：水泥注漿→化學(xué)注漿→補強支護。

圖2 回風(fēng)巷原支護技術(shù)方案(mm)

2.2 注漿加固技術(shù)

2.2.1 注漿參數(shù)計算方法

為確保注漿效果，便于注漿期間的工程量考核與管理，對每米巷道所需注漿量計算如下[22]：

Q=ρλβηL(2h+b)

(1)

式中，Q為每米注漿量，kg；ρ為漿體密度；λ為漿液損失系數(shù)，取1.5；β為漿液充填系數(shù)，取0.6；η為巷道圍巖裂隙率，取3%；L為注漿深度，m；h為斷面墻高，m；b為斷面頂板長，m。

為方便注漿施工，提升注漿質(zhì)量，注漿管應(yīng)長于注漿長度，注漿管長度按照式(2)計算：

l=l1+l2

(2)

式中，l為注漿管長度，mm；l1為下入長度，mm；l2為外露長度，mm。

根據(jù)現(xiàn)場巷道的實際變形情況，以4300mm×3000mm矩形斷面進行支護設(shè)計，結(jié)合式(1)和式(2)，對工藝流程中具體參數(shù)進行設(shè)計。

2.2.2 水泥淺孔注漿加固

1)注漿淺孔：3209工作面回風(fēng)巷幫、頂圍巖水泥注漿淺孔沿巷道斷面成排方式布置，巷道幫頂注漿鉆孔呈五花狀布置，排距2000mm，幫部注漿孔間距1200mm或1300mm，頂板注漿孔間距1500mm。巷道斷面幫、頂部水泥注漿孔布置如圖3所示。

圖3 回風(fēng)巷幫、頂水泥注漿淺孔布置(mm)

2)打孔角度：巷幫靠近頂?shù)装遄{孔上仰或下扎5°～15°，其余鉆孔垂直兩幫；頂板靠近兩幫注漿鉆孔與垂直巷道頂板方向呈15°夾角，其它鉆孔垂直巷道頂板。打孔深度：3209工作面回風(fēng)巷巷幫水泥注漿淺孔深度2500mm，頂板水泥注漿淺孔深度2500mm，注漿管外露長度為100mm，水泥注漿過程中注漿管總長度為2600mm。

3)打孔設(shè)備：利用ZYJ-270/180架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機對巷道兩幫頂角、底角進行打孔，鉆頭直徑?42mm；利用ZQS-65/2.5防突鉆機對巷道兩幫其余垂直鉆孔進行打孔，鉆頭直徑?44mm；利用ZYJ-270/180架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機對頂板進行打孔，鉆頭直徑?42mm。

4)注漿方式：注漿管埋設(shè)在孔口，孔內(nèi)下射漿管，全長一次注漿。注漿材料：水泥漿、水泥水玻璃雙液漿。注漿壓力：孔口注漿壓力可以達到1～3MPa。

2.2.3 圍巖化學(xué)改性水泥漿加固

1)注漿孔布置：3209工作面回風(fēng)巷巷幫圍巖化學(xué)改性水泥漿鉆孔沿巷道斷面成排布置，巷道幫部注漿鉆孔呈矩形布置方式，排距2000mm，間距2000mm，具體注漿孔布置如圖4所示。

圖4 回風(fēng)巷化學(xué)改性水泥漿鉆孔布置(mm)

2)鉆孔深度：幫部化學(xué)改性水泥漿孔深度4000mm，注漿管外露長度為100mm，化學(xué)注漿過程中注漿管總長度為4100mm。鉆孔角度：巷幫靠近頂?shù)装遄{孔上仰或下扎5°。

3)打孔設(shè)備：利用ZYJ-270/180架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機對巷道兩幫頂角、底角進行打孔，鉆頭直徑?42mm。

4)注漿壓力：全長一次注漿，注漿終止壓力4～6MPa。

2.3 巷幫補強支護技術(shù)

化學(xué)注漿施工完畢，對巷道幫部進行預(yù)應(yīng)力全長注漿錨索支護。巷道預(yù)應(yīng)力注漿錨索布置情況如圖5所示，巷幫錨索沿巷道斷面成排、矩形排列，排距1500mm，間距2200mm，幫部鉆孔呈“二·一”布置。受到管路影響時，可根據(jù)現(xiàn)場施工條件進行適當(dāng)調(diào)整。

圖5 回風(fēng)巷幫部注漿錨索布置(mm)

錨索規(guī)格為?22-1×19-5300mm，其中，外露張拉段為300mm。錨索角度：幫錨索布置方式主要垂直巷幫。錨固方式：采用樹脂端部錨固方式，三支錨固劑，其中一支規(guī)格MSK2335，另兩支規(guī)格MSZ2360。樹脂錨固長度1970mm，其余部分采用水泥漿進行錨固。

打孔設(shè)備：利用ZQS-50/1.6錨桿鉆機打孔，鉆頭直徑?30mm，孔深5000±30mm。擴孔設(shè)備：利用ZYJ-270/180架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機打擴孔，深度3000mm，鉆頭直徑?56mm。錨索安裝：錨索外端套裝有注漿一系列附件并推入至鉆孔中，安裝托板后引出注漿管，加裝球墊進行張拉預(yù)緊，如圖6所示。錨索預(yù)緊力不小于200kN。注漿材料為水泥漿。錨索孔終止壓力為2～3MPa。

圖6 注漿錨索安裝

3 優(yōu)化支護效果現(xiàn)場檢驗

礦方采用優(yōu)化支護技術(shù)方案對3209工作面回風(fēng)巷進行現(xiàn)場工程應(yīng)用，并通過巷道圍巖窺視和變形觀測兩種方式，檢驗優(yōu)化支護技術(shù)方案對巷道圍巖變形的控制效果。

3.1 巷道圍巖窺視

采用鉆孔窺視儀窺視優(yōu)化支護巷道圍巖情況，選取3209回風(fēng)巷1750m處已注漿位置與3209回風(fēng)巷1850m處未注漿位置分別對西幫、東幫和頂板進行窺視分析，由窺視結(jié)果可知：

1)3209回風(fēng)巷1850m處巷道兩幫均出現(xiàn)了塌孔，西幫煤體內(nèi)0～0.4m較為破碎，0.8～2.0m范圍內(nèi)圖像模糊，為窺視時煤泥大量涌起所致，主要原因是煤幫破碎，煤粉較多，遇水形成煤泥，鉆孔2.0m后塌孔，煤體內(nèi)部較為破碎；巷道東幫煤體破碎，打孔后內(nèi)部出現(xiàn)塌孔，0～0.2m、0.5～1.0m、1.1～1.4m范圍內(nèi)較為破碎，1.5～2.0m內(nèi)涌起大量煤泥，2.0m后塌孔，煤體破壞范圍應(yīng)較深。該段范圍內(nèi)頂部0.4～0.8m、0.9～1.1m、2.2～3.4m、2.6～2.8m范圍內(nèi)有破碎、裂隙帶，其余地段圍巖完整，說明頂板圍巖破壞集中在0～4m范圍內(nèi)。

2)3209回風(fēng)巷1750m處巷道西幫煤體內(nèi)1.0～1.4m、1.9～2.5m、2.8～3.2m范圍內(nèi)可見水泥漿液，注漿孔壁較為完整；2.6～2.7m范圍內(nèi)有輕微破碎，沒有離層區(qū)。巷道東幫煤體0.4～1.3m、1.4～2.2m、2.7～2.8m、3.1～3.5m范圍內(nèi)可見水泥漿液，注漿后注漿孔壁比較完整。該段范圍內(nèi)頂板0～2.2m范圍內(nèi)可見水泥漿液，整體圍巖完整，無破碎區(qū)。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)優(yōu)化支護巷道兩幫煤體打鉆施工均比較正常，未出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，注漿后水泥漿液進入煤幫裂隙，形成厚度不同、包容巖塊大小和數(shù)量也不相同的結(jié)石體，可以充分充填、嵌入到破碎圍巖裂隙中，使破碎圍巖裂隙不斷減少直到消失，依靠自身固化后形成的相對較高的抗壓強度和完整性，可以有效阻止圍巖擴容性破壞進一步向深部發(fā)展。同時，還可以很好地恢復(fù)圍巖完整性。

3.2 巷道圍巖變形觀測

在3209工作面回風(fēng)巷掘進面布置4個兩幫相對移近量測站和3個頂板離層測站，觀測結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，自8月7日至8月25日，4個兩幫相對移近量觀測結(jié)果最大值為54mm，3個頂板離層觀測結(jié)果最大為19mm，圍巖變形與頂板下沉距離較小，說明注漿后的巷道圍巖整體完整，沒有破碎離層區(qū)。通過斷面窺視和圍巖變形分析發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的支護技術(shù)方案護巷效果顯著，能夠有效控制巷道圍巖大變形，保障礦井安全、高效生產(chǎn)。

圖7 巷道圍巖變形觀測結(jié)果

4 結(jié) 論

1)鑒于3209工作面回風(fēng)巷受3207工作面回采形成側(cè)向支承壓力和臨近高抽巷掘進擾動影響，礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道圍巖變形嚴(yán)重，現(xiàn)有支護難以有效控制圍巖大變形。

2)綜合現(xiàn)有支護技術(shù)，提出高壓注漿配合強力錨索支護的綜合加固優(yōu)化支護技術(shù)方案，即3209工作面回風(fēng)巷幫、頂水泥注漿加固后再進行化學(xué)注漿加固，最后施工注漿錨索補強支護。

3)通過巷道圍巖窺視和變形觀測，優(yōu)化支護巷道圍巖整體完整，破碎離層區(qū)較小。優(yōu)化支護巷道兩幫相對移近量最大值為54mm，頂板離層最大值為19mm，較原支護巷道圍巖變形量下降顯著。