王坡煤矿复杂应力硐室群加固技术研究

贾光胜，常海雷

（山西天地王坡煤业有限公司，山西晋城 048021）

王坡煤矿复杂应力硐室群加固技术研究

贾光胜，常海雷

（山西天地王坡煤业有限公司，山西晋城 048021）

理论研究王坡煤矿巷道围岩变形破坏机理，数值模拟分析动压近距离硐室群的受力和变形特征。在两者的基础上提出工作面回采动压影响下复杂应力硐室群的注浆加固支护方案，并进行工业应用试验。加固效果检测表明注浆区域变形明显缩小，能够确保硐室在服务年限内的正常安全使用。

复杂应力硐室群;动压近距离;围岩稳定性;注浆加固

王坡煤矿设计生产能力为1.5Mt/a，现主采3号煤，矿井集中轨道巷、集中胶带巷、集中回风巷、二采区变电所、水仓等巷道和硐室将服务于3号煤层开采全过程，服务年限在20a以上。由于该处硐室密度大，围岩应力复杂，各硐室施工时会相互扰动，造成硐室群发生持续变形与破坏。近期受3212运输巷绕道和水仓掘进动压影响，二采区变电所附近硐室群围岩变形和破坏均有明显增加，变形破坏形式主要表现为巷帮向内鼓出、顶板弯曲下沉或断裂、巷道底鼓。多次采掘应力耦合作用下该区域煤岩体更加松软破碎，巷道变形严重，为了保证3212工作面正常回采和整个煤矿的安全生产，必须对相关井巷工程进行加固处理。

1 二采区变电所附近硐室变形破坏机理分析

该处巷道在开挖之前，一直处于原始应力状态，由于自身或周围硐室的施工，原岩应力场发生改变，应力的重新分布数次打破巷道围岩的稳定状态［3－4］，若巷道支护不能适应采动影响带来的应力变化，或者未及时采取相应的补强措施，巷道会发生不同程度的破坏，影响其安全使用。

王坡煤矿二采区变电所附近硐室围岩变形具有以下特点:

（1）巷道围岩变形量大 根据井下监测结果，复杂应力巷道围岩变形普遍较大，一般为数十厘米，最大可达1.0m以上。

（2）巷道受采动影响后变形量大 由于王坡矿埋深不大，原岩应力相对较小，巷道在掘进初期变形速度较小，经受剧烈动压影响后，由于初期支护强度和预紧力不足导致巷道围岩变形量大。

（3）巷道围岩变形具有长期性 复杂应力下巷道围岩发生长期蠕变，变形具有明显时间效应。

（4）巷道底鼓变形严重 经受数次动压影响后不仅顶板、两帮发生显著变形和破坏，巷道底板也往往发生强烈底鼓现象。

复杂应力和动压环境是导致王坡煤矿二采区变电所区域硐室群围岩变形与破坏的本质原因。多次经受强烈动压影响的巷道围岩，在各种复杂应力耦合作用下，产生塑性流动和破碎胀裂［5］，从而导致巷道围岩出现较大变形。同时，该区域巷道布置密度高、断面大也是加剧围岩变形的直接因素。

2 数值模拟分析

运用数值模拟软件FLAC3D建立三维数值模型［6］，分析二采区变电所附近硐室空间围岩应力场分布情况，巷道群应力集中位置的影响。通过模拟为受采动影响而变形失稳的二采区变电所硐室提出有效的加固支护方案。

2.1 模型建立及赋值

建模过程中严格按照王坡矿实际工程地质状况，基本顶为中砂岩，厚度8.89m，深灰色，硅钙质胶结，局部含有大量云母，局部含有炭质条带，具斜波状层理;直接顶为砂质泥岩，厚度4.00m，灰黑色，夹薄层泥岩，局部含有粗粉砂岩，可见植物化石碎片;伪顶为炭质泥岩，厚度1.37m，黑色，质软，可见植物化石，随采掘脱落;3号煤，厚5.97m，黑色，亮煤为主，具有金属－玻璃光泽，坚硬，性脆，内生节理裂隙发育，局部煤质松软破碎，局部含有两层夹矸。煤层稳定，全区可采，煤层倾角为2～10°，平均为6°;直接底为泥岩或细粉砂岩，厚2.10m，灰黑色，含粉砂质和植物化石;老底为中砂岩，厚3.20m，灰色，具水平层理，贝壳状断口。数值计算模型如图1。

图1 数值计算模型

计算选取摩尔库仑模型，并给相应层位岩体赋予物理力学参数，材料参数详见表1。计算前按模型所在的深度向模型施加自重载荷，并对三维模型侧面和底面提供位移边界或应力边界约束。

2.2 数值计算及分析

模型建立后，首先模拟集中胶带巷、集中轨道巷、集中回风巷、3212水仓硐室、二采区变电所硐室开挖后围岩应力场的变化与分布特征。然后根

表1 数值计算模型的岩体力学参数

据现场条件，模拟研究3212综采工作面停采线距水仓分别为85m，95m，105m，115m时，硐室群周围的应力分布以及围岩状态。

从图2中可以看出，各巷道硐室施工后，硐室与硐室间相互影响，应力产生叠加效应。巷道与硐室交叉位置，围岩垂直应力叠加明显。从硐室群施工后硐室围岩最大主应力场分布来看，应力较大区域主要分布在巷道与硐室之间煤柱的边角处，最大压应力值为25.95MPa。

图2 各硐室施工后围岩应力场分布特征

数值模拟结果表明，受3212工作面回采动压影响，距离煤柱较近的集中胶带巷及3212水仓硐室受影响较大，巷道围岩应力集中程度明显增加。从图3中可以看出，工作面两侧及前方约20m范围内应力集中程度很高。停采距离为85m时，工作面前方超前支撑应力与集中胶带巷及3212水仓施工所产生的扰动应力相互叠加;停采距离为95m时，工作面前方超前支撑应力与集中胶带巷施工所产生的扰动应力有少量的叠加区域;停采距离大于105m时，工作面前方超前支撑应力与集中胶带巷施工所产生的扰动应力叠加程度明显降低。

从硐室围岩位移场分布和塑性区分布 （图4）来看，当停采距离为105m时，受工作面回采影响，硐室与巷道最大变形和破坏发生在3个位置:集中胶带巷与3212水仓交叉位置处，集中轨道巷在硐室较为密集的位置处、二采区变电所与其他巷道连接处。这3个位置将是加固支护的重点区域。

图3 工作面停采线与水仓不同距离时围岩垂直应力场分布

图4 停采线距水仓105m时位移场和塑性区分布

3 二采区变电所加固支护方案

二采区变电所及变电所通道底板布置有放置电缆的电缆沟，加固后需保持底板稳定，确定进行全断面加固。

3.1 底板加固

（1）起底 二采区变电所底板电缆沟影响加固施工，加固前起底，清除电缆沟部位的底渣，底板加固后重新浇筑。

（2）注浆孔布置 变电所及变电所通道底板注浆钻孔沿巷道走向呈五花布置，排距1500mm，间距1100～1800mm。

（3）钻孔参数 使用ZYJ－270/180架柱式液压回转钻机打孔，钻头直径φ56mm。中线附近钻孔垂直于底板向下，靠近两帮的钻孔外扎角6～10°。孔深全部6000mm±50mm。

（4）锚索安装预紧 成孔后预埋锚索。插入锚索，将20mm塑料灌浆管插至孔底，填入少量石粉，灌入水泥浆 10L，拔出塑料管。锚索为φ22mm，1×19股高强度预应力钢绞线，长度6300mm。配φ6.5mm焊接钢筋网，规格3200mm×1600mm，四边封闭，网孔 100mm×100mm;配φ20mm焊接钢筋梯梁，高强度拱形托板，加装调心球垫。底板注浆孔预埋锚索7d后，铺联钢筋网，断面对接、走向搭接一孔，使用16号铁丝孔孔相连并绞紧。外部套装钢筋梯梁。

钻孔内插入长度4000mm（外露500mm）铝塑注浆管、封孔胶塞、止退钢管、高强度拱形托板、球垫及索具。

注浆前张拉预紧锚索，预紧力不小于200kN。

（5）底板注浆 注浆材料为水泥浆、水泥－水玻璃双液浆。使用锚索托板穿入的铝塑注浆管，全长一次注浆。注浆终止压力为4～6MPa。

3.2 帮顶围岩加固方案

3.2.1 水泥注浆加固

二采区变电所帮顶围岩水泥注浆钻孔，沿巷道断面成排、五花布置，排距1800mm，布置在两排锚杆之间，两帮注浆孔间距1600mm，顶板注浆孔间距1500mm，两帮靠近顶板的注浆孔仰角30°，靠近底板的注浆孔下扎角15°，其余钻孔垂直于两帮;顶板靠近两帮的注浆孔，外扎15°和30°，中线附近钻孔垂直于顶板。变电所两帮水泥注浆钻孔深度6000mm;顶板水泥注浆钻孔深度4000mm。

两帮使用ZQS－65/2.5防突钻机打孔，钻头直径φ44mm;两帮底脚使用ZYJ－270/180架柱式液压回转钻机打孔，钻头直径 φ56mm;顶板使用MQT120锚杆钻机打孔，钻头直径φ42mm。注浆材料为水泥浆、水泥－水玻璃双液浆。

埋孔口注浆管，孔内下射浆管，全长一次注浆，注浆终止压力3～5MPa，根据现场情况调整。

3.2.2化学注浆加固

水泥注浆完成后，帮顶进行“固瑞特201”化学注浆，进一步改善围岩结构完整性。

帮顶化学注浆孔沿巷道断面五花眼布置，排距2700mm，间距2000mm，两帮靠近顶板钻孔仰角15°，靠近底板钻孔下扎10°，中间钻孔垂直两帮。顶板钻孔靠近两帮的外扎30°，其余钻孔垂直顶板。帮、顶化学注浆孔深度全部3000mm。

两帮使用ZQS－65/2.5防突钻机打孔，钻头直径φ44mm;顶板使用MQT120锚杆钻机打孔，钻头直径φ42mm。

化学注浆钻孔使用封孔器封孔，封孔全部深度800mm。

全长一次注浆，注浆终止压力6～8MPa。正常注浆材料消耗每孔不大于35kg/m，最大材料消耗量每孔100kg/m。

3.3 帮顶围岩支护

化学注浆施工完成1d后，帮顶进行预应力全长注浆锚索支护施工。

（1）巷帮支护 锚索规格为 φ22mm－1×19－5300mm，其中300mm为外露张拉段。

两帮锚索沿巷道断面成排、矩形排列，排距1800mm，间距1500mm。电缆沟侧底脚锚索下扎10°，其余帮锚索垂直岩面布置。

使用ZQS－50/1.6锚杆钻机打孔，钻头直径30mm，孔深5000mm±30mm。使用直径φ56mm钻头扩孔，深度500mm。

采用树脂端部锚固，3支锚固剂，1支规格为K2335，另 2支规格为 Z2360。树脂锚固长度1600mm，其余部分水泥浆锚固。锚索预紧力≥200kN。

锚索外端套装注浆附件推入钻孔，安装托板引出注浆管，加装球垫张拉预紧。注浆材料为水泥浆。锚索孔终止压力4～6MPa。

（2）顶板支护 锚索规格为 φ22mm－1×19－5300mm，其中300mm为外露张拉段。顶板锚索成排、矩形排列，排距1800mm，间距1600mm，布置在原支护无锚索的两排锚杆之间。使用MQT120锚索钻机打孔，钻头 φ30mm，孔深 5000mm±30mm。扩孔钻头φ56mm，扩孔深度500mm。锚索垂直岩面布置。全长预应力锚固。首先用1支K2335配合2支Z2360的树脂锚固剂进行端部锚固，锚固长度1600mm;剩余部分进行预应力水泥浆锚固。

锚索外端套装注浆附件推入钻孔，每排锚索套装φ20mm焊接钢筋梯梁，安装托板引出注浆管，加装球垫张拉预紧 （由中间一根向两边逐根预紧）。锚索预紧力≥250kN。

注浆材料为水泥浆。锚索孔终止压力4～6MPa。

4 注浆效果检测

二采区变电所区域硐室群加固施工完成后，在加固区域进行钻孔窥视，检测巷道围岩裂隙注浆效果，如图5所示。

图5 变电所注浆区域钻孔窥视

窥视结果表明，浆液能够注入围岩空洞和裂隙，凭借自身固化后具有的高强度和高抗变形能力，将破碎煤岩粘结成为一个整体，大大增强了巷道围岩的自身承载能力，阻止裂隙进一步扩张，抑制围岩变形破坏的持续发展;离层以及贯通的裂隙亦被浆液充实，岩层裂隙内形成完整的充填层，显著提高了顶板和巷帮围岩的完整性。同时，高强度的注浆结石体为后期注浆锚索补强支护提供锚固基础，显著提高破碎围岩的支护效果。

5 矿压监测及分析

进行注浆和锚索加固后，在二采区变电所建立表面位移测站，2011年1月5日至2月19日对二采区变电所进行了变形监测，监测曲线如图6所示。从巷道围岩表面位移结果看，巷道表面位移、两帮收敛及顶板下沉量最大观测值为15mm。注浆加固和锚索补强综合加固控制了围岩的变形与破坏，保持了围岩的长期稳定，加固效果十分显著。

图6 二采区变电所表面位移监测曲线

6 主要结论

（1）理论分析和数值模拟得出，复杂应力和采掘动压环境是二采区变电所硐室群围岩失稳和变形的根本原因。加强和提高围岩主动支护能力，是控制动压巷道围岩破坏的根本途径。

（2）矿压观测数据表明，以注浆加固为基础进行锚索支护的综合加固技术，显著提高了复杂应力硐室群的抗扰动能力，加固后巷道围岩变形量很小，加固效果显著。

（3）解决了王坡煤矿复杂应力下破碎围岩巷道的支护与加固技术难题，大大缓解采掘接替紧张局面，为类似条件下工作面的合理布置及巷道支护提供参考和理论依据。

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Reinforcement Technology of Cavern Group under Complex Stress in Wangpo Colliery

JIA Guang-sheng，CHANG Hai-lei
（Shanxi Wangpo Coal Co.，Ltd，Jincheng 048021，China）

Deformation and failure of roadway surrounding rock in Wangpo Colliery was analyzed and load and deformation of caverns group with close distance and dynamic pressure.On the basis of this，roadway reinforcement by grouting was put forward.Industry test was made and reinforcement effect detection showed that deformation in grouting area was small and met safety requirement during service period.

caverns group under complex stress;close distance and dynamic pressure;stability of surrounding rock;reinforcement by grouting

TD354

A

1006-6225（2012）02-0064-05

2011－12－15

贾光胜 （1962－），男，江苏沛县人，研究员，硕士生导师，山西天地王坡煤业有限公司总工程师。

［责任编辑:王兴库］