煤矿突水后巷道支护补强的设计与应用效果

张津裕

（南煤集团南庄分公司， 山西 阳泉 045000）

引言

目前，关于煤矿工作面巷道支护方面的研究非常多[1-2]。但是关于出现突水涌水后的支护补强相关技术却鲜有资料可查[3-4]。因此，为了提升突水涌水防治效果，确保煤矿工作面的安全，有必要对工作面巷道出现突水涌水后的支护补强技术进行分析和研究[5-6]。本文对某煤矿掘进工作面巷道支护方案存在的缺陷导致的突水问题进行了研究，在原有巷道支护方案的基础上对其进行补强处理，为煤矿安全提供了坚实的保障。

1 煤矿工作面及原巷道支护方案介绍

1.1 煤矿工作面简介

某煤矿煤层的埋深在290～324 m 范围内，平均埋深为300 m 左右。掘进工作面厚度范围为2.34～3.89 m，平均煤层厚度为3.21 m，整个煤层倾角不超过1°。掘进工作面巷道断面形状为矩形，其宽度和高度分别为5 m 和3.5 m，整个掘进巷道的断面面积为17.5 m2。巷道围岩的黏聚力和内摩擦角分为2 MPa 和4°。

1.2 原巷道支护方案

原掘进工作面巷道支护采用的是锚杆支护方案。其中顶板采用的锚杆为左旋螺纹钢锚杆，直径和长度分别为20 mm 和2.2 m，锚杆之间的间距以及排距均为0.8 m，与两侧帮部位置接近的锚杆与巷道中垂线成20°角进行安装。开采帮采用的锚杆为玻璃钢锚杆，锚杆规格以及间距、排距与顶板完全相同，配合使用树脂网。对于非开采帮，锚杆采用的是螺纹钢锚杆，其直径和长度分别为20 mm 和2.2 m。两帮靠近顶板的锚杆同垂线成20°角进行安装，靠近底板的锚杆与水平线成10°角进行安装。其他顶板和两帮的锚杆全部进行垂直安装。使用钢丝网片，使用的锚索规格尺寸为直径15.3 mm，长度7.3 m。

2 煤矿突水后巷道支护补强方案的设计

2.1 补强支护方案的设计

原巷道支护方案由于不满足实际使用需要，导致工作面巷道出现了突水问题。必须对煤矿巷道支护进行补强处理，避免突水对工作面巷道掘进过程造成不利影响，影响采煤效率。基于已有的理论成果以及工程实践经验，重新设计研究了补强巷道支护方案。如图1 所示为优化后的掘进工作面巷道支护断面图。需要说明的是，图中黑色部分为原支护方案，灰色部分为补强支护。

图1 优化后的掘进工作面巷道支护断面图（单位：mm）

在原有支护方案的基础上，在顶板每排多增加设置2 根锚杆，锚杆使用的是左旋螺纹钢锚杆，直径和长度分别为20 mm 和2.4 m。增加设置的锚杆间距和排距分别为3 m 和1 m，安装时施加50 kN 的预紧力。两帮部位同样每排增加设置2 根锚杆，直径和长度分别为20 mm 和2.4 m，锚杆间距和排距分别为2 m和1 m，安装时施加20 kN 的预紧力。在巷道中线位置增加设置1 根锚索，锚索为钢绞绳，直径和长度分别为15.24 mm 和7.6 m，锚固长度1.8 m。沿着巷道方向，增加设置的锚索排距为3 m，安装时施加120 kN 的预紧力。

2.2 补强支护效果模拟分析

为了验证本文设计的补强支护方案的实际效果，利用FLAC3D 数值模拟软件对该方案进行了模拟分析。另外，为了与原巷道支护方案进行对比，同时模拟分析了原巷道支护方案的情况。利用软件建立好有限元模型后进行计算分析，然后对模拟结果进行提取。主要研究对比在2 种巷道支护方案作用下，巷道围岩在垂直方向和水平方向上的位移变形情况。如图2 所示为补强支护方案围岩在水平和垂直方向上的变形情况。

图2 补强支护方案围岩在水平和垂直方向上的变形（m）情况

从图2 中可以看出，在巷道补强支护方案作用下，围岩在水平方向上的变形最大值为4.15 mm，而原支护方案对应的数值为5.36 mm。对比两种情况可以发现，补强支护方案能够更好地控制围岩在水平方向上的变形。在垂直方向上，在巷道补强支护方案的作用下，巷道变形最大值为17.73 mm，而原支护方案对应的数值为19.92 mm。补强支护方案同样能在一定程度上缩小围岩在垂直方向的变形。

基于上述的有限元模拟分析结果可以看出，对掘进工作面巷道原支护方案进行补强处理后，巷道围岩的变形情况得到了一定程度改善。说明提出的补强支护方案是合理的，能够应用到实际中，以提升掘进工作面巷道的安全性。

3 补强设计中巷道锚杆注浆加固技术分析

掘进工作面围岩出现突水问题，说明围岩内部已经出现了一定程度的破坏，裂隙发育充分使围岩强度显著降低，巷道稳定性受到严重威胁。因此，有必要采取锚注加固技术措施对巷道围岩进行加固处理，以提升巷道围岩的稳定性。

3.1 锚杆注浆加固作用原理分析

当巷道围岩结构比较松散破碎时，锚杆和锚索受力将会呈现出显著的不均匀性，在一定程度上影响锚杆和锚索性能的发挥。通过锚柱加固技术能够有效改善围岩松散结构特征，提升其整体的凝聚力和强度。锚注加固技术的强化原理可以从下述的几个方面进行阐述：

第一，当巷道围岩结构面发育较完全时，结构面会影响围岩强度及其变形情况。结构面刚度和强度一般很低，特别容易发生相对滑动的问题，使得围岩整体结构显著降低，导致巷道出现变形问题。通过锚固注浆处理能够显著提升结构面的强度，避免出现相互错位问题，进而提升巷道稳定性。

第二，进行锚注加固施工时，需要利用泵将浆液注入到巷道围岩内部。浆液在泵的压力作用下，会沿着巷道围岩的缝隙进行渗透，达到提升围岩强度的效果。此外，对于一些无法充填的缝隙，也能够进行挤压闭合，这样能够降低围岩的孔隙率，有效阻挡水的渗透。同时还能够改善围岩的应力分布状态，提升强度。

第三，对于已经出现突水或涌水的巷道围岩，通过锚杆注浆加固技术，能够对突水和涌水的通道进行封堵，避免再次出现突水涌水问题。

3.2 锚杆注浆加固主要技术参数的确定

1）注浆压力。注浆压力是开展锚杆注浆加固施工的重要参数，会对施工效果产生决定性影响。影响施工注浆压力选择的因素是多方面的，其中最重要的因素就是围岩性质。充分结合围岩实际情况，本方案中最终确定的注浆压力范围为2～2.5 MPa。

2）扩散半径。扩散半径指的是从注浆孔注入的浆液能够扩散的距离。扩散半径对施工效果同样有非常重要的影响。注浆孔数量通常是根据扩散半径大小进行选择的。对于一般性质的围岩其扩散半径通常为2～3 m。

3）凝固时间。凝固时间与浆液自身属性存在直接关系。可以向浆液中添加化学试剂以改变浆液凝固时间。在实际应用中，浆液凝固时间还会受到周围环境因素的影响，比如温度的影响。因此，具体凝固时间需要充分结合现场实际情况来确定，通常都是在几小时左右。

4 巷道支护补强实践效果分析

对已经出现突水问题的掘进工作面巷道，在原支护方案的基础上进行补强处理。主要从两方面着手开展补强工作。第一，增加设置锚杆和锚索，提升巷道锚固支护效果。第二，进行锚杆注浆加固处理，向围岩内部注入浆液，提升围岩自身强度，同时对突水缝隙进行封堵，避免再次出现突水问题。将上述掘进工作面巷道支护补强方案应用到工程实践中，取得了非常好的应用效果。巷道变形量得到很大程度降低，且在后续掘进施工过程中没有再出现巷道突水问题。通过对巷道支护方案进行补强处理，显著提升了支护效果，保障了围岩的稳定性。为采煤工作效率的提升奠定了坚实的基础。