双侧采动应力扰动下盘区大巷加固支护技术研究

郭东杰

(晋城煤业集团 成庄矿，山西 晋城 048000)

双侧采动应力影响大巷围岩变形控制一直是煤矿井下工程的一大难题。随着煤矿开采强度提升，强采动影响下的开采和支护与日俱增，剧烈的矿山压力显现与复杂多变的围岩条件、高密度的巷道布置等不利因素叠加影响，导致动压影响巷道支护难度进一步增加，巷道断面严重收缩导致无法满足安全使用要求[1-4]。巷道收缩变形实质是围岩裂隙发育扩展的结果，因此如何尽量恢复变形后破碎围岩的完整性是巷道加固修复的关键。注浆加固技术能原位加固修复破碎岩体完整性，广泛应用于破碎岩土工程加固，取得了显著的效果[5-8]。

本文结合晋煤成庄矿受双侧采动影响盘区大巷生产地质条件，在变形特点调研、围岩裂隙窥视和数值模拟分析，并结合强力支护理论的基础上，提出对破碎围岩进行改性—支护综合控加固技术。通过理论计算确定进行注浆参数设计，成功应用于盘区大巷加固施工。

1 工程概况

1.1 生产地质条件

2102巷、2103巷和2104巷为成庄矿二盘区大巷，埋深约440m，服务于整个二盘区回采工作面，巷道断面为直墙半圆拱型(宽×高=5.3m×4.15m)，均沿3#煤层底板掘进，巷间净煤柱尺寸为25m。二盘区工作面为两翼综放开采，如图1所示，终采线与紧邻大巷之间保护煤柱尺寸为90～135m，工作面均已回采。盘区大巷一侧(2104巷侧)工作面回采时三条大巷对应区段便产生过较严重的变形，随后矿方对变形区段进行巷修维护，一段时间内巷道基本达到稳定，巷道围岩变形得到了控制。但随着另一侧(2102巷侧)工作面的回采，受双侧采动影响后，导致三条大巷对应区段巷道产生了持续强烈的二次变形，其中，2013巷帮部收敛变形达到1.3m，顶底板收敛变形达到1.6m，已经严重影响带式输送机运输和乘人架空装置运行。前期矿方对2103巷受动压影响区段已经进行过巷修维护，仍未有效控制巷道围岩变形，而且二盘区下部还有多个工作面需要进行回采，急需采取有效的技术方案进行彻底加固处理，保证设备的正常运转和行人安全。

图1 2103巷平面布置(m)

1.2 地质力学评估

区域3#煤层均厚7.0m，松软破碎，强度低；直接顶和老顶分别为1.4m厚的细砂岩、7.3m厚的中粒砂岩，岩体强度较高，完整性好；直接底和老底分别为1.1m厚泥岩、6.7m厚泥岩和砂质泥岩互层，水平节理发育，强度低，遇水易软化。

区域应力场类型为σH>σv>σh，σH占优势，最大主应力值为12.91MPa，垂直主应力为11.87MPa，主应力差(σH-σh)/σH为0.51，构造应力占主导的中等高应力值区域，最大水平主应力方向为北偏东85°。

结合2103巷围岩变形程度共布置了4组测站，钻孔深度8.0m，对2103巷受采动应力影响变形后围岩裂隙发育程度进行了详查。窥视结果显示，2103巷顶板岩层破坏深度达到4.5m；帮部煤体破坏深度达到了8.0m，采动压力对巷帮煤体破坏作用更大，这与回采引起的煤柱内垂直应力值升高有很大关系，帮部4.0m深度以内煤体十分破碎，裂隙分布数量多且张开度很大，4.0～8.0m范围煤体裂隙分布数量少且张开度较小。2103巷围岩产生大变形的主要原因是相邻工作面强烈采动影响导致巷道围岩受高应力反复加载、挤压，由浅部至深部原生裂隙二次扩展和新生裂隙的发育，致使围岩残余强度急剧降低，高应力往深部转移，深部煤岩体受到的载荷增大发生屈服、剪切滑移变形，如此反复围岩强度持续劣化，支护承载结构稳定性不断弱化，最终失稳变形。

2 破碎围岩加固作用机理

对于受强采动影响的巷道，围岩变形实质是围岩内部的离层、滑移，裂隙张开扩展。结构面对支护预应力场的影响数值模拟结果如图2所示，数值计算结果表明[9]，裂隙的存在对锚杆(锚索)支护预应力场的影响显著，由于围岩内裂隙的存在，导致锚杆压应力区不再连续，预应力的传递也受到影响，这时的支护效果最差。2103巷经受相邻两侧工作面动压影响后，围岩产生变形破坏，表面位移增大，实质是围岩内部裂隙宽度、长度以及新裂隙数量的不断增长，裂隙的存在会显著降低主动支护预应力场压应力区扩散范围，削弱锚杆索的支护效果，尤其是浅部裂隙的存在对支护效果影响最大，中部次之，深部最小。成庄大巷单纯采用锚索补强支护时，巷道顶板、两帮已发生破碎或离层，锚索的预紧力被离层隔断，无法往围岩深部有效扩散，对破碎围岩支护效果很差。因此针对破碎围岩进行二次加固支护时应当将注浆改性—支护技术有机地结合在一起，是控制此类巷道变形的有效途径。

成庄矿2103巷受双侧采动压力影响后，围岩已经产生严重的碎胀变形，裂隙十分发育，单一的锚索支护存在锚固力低、预应力扩散范围小的缺陷，无法充分发挥其主动支护能力，针对破碎围岩巷道加固应在重塑围岩结构完整性基础上，加强对巷道围岩的主动支护，先注浆改性后支护是较理想的加固技术。通过外部压力将浆液注入受采动影响后的破碎围岩中，凝固后形成结石体充填裂隙，恢复碎裂岩体完整性；注浆后破碎围岩基本恢复连续状态，但承载能力仍较弱，采用高预应力锚索对其施加强力边界条件，改善围岩应力状态，增强注浆后围岩承载能力，阻止围岩再次破坏，确保加固后的巷道围岩长期稳定[10-15]。

图2 结构面对支护预应力场的影响

3 注浆加固参数设计及应用

3.1 注浆参数理论计算

3.1.1 注浆压力选取

渗透注浆的最小注浆压力主要由3部分组成[16]：管路压力损失p1、渗透压力p2、注浆管水头压力差压力损失p3。

1)p1包含输浆管、注浆管和出浆孔阻力等组成，其中，输浆管阻力占主要影响因素。因此管道流体压力损失公式如下：

0.013×(100/0.025)×1700×2.22/2=0.2MPa

(1)

式中，p1为管路压力损失，MPa；λ为高压管沿程阻力系数，λ=64/Re=0.013，其中，Re为雷诺数Re=ρvd/μ；l为管路长度，取100m；d为管路直径，取0.025m；ρ为水泥浆液密度，取1.7×103kg/m3；ν为浆液流速，取2.2m/s。

2)渗透压力p2要小于由弱面控制的围岩体的抗拉强度Rt。

3)注浆管水头压力差压力损失p3主要考虑注顶板钻孔时情况，巷道顶板注浆孔是垂直布置。

p3=γ1Δh=1.7×103×10×4=0.068MPa

式中，γ1为浆液容重，N/m3；Δh为注浆管高差，m。

松软破碎煤岩体注浆的最小注浆压力为：

ps=p1+p2+p3=1.885MPa

(2)

注浆压力和扩散半径是一对相辅相成的参数，相互之间呈正比关系。根据成庄矿多年注浆工程经验，确定浅孔注浆压力为2～4MPa，深孔注浆孔注浆压力为6～8MPa(孔口)。

3.1.2 扩散半径

破碎煤岩体注浆按Maag扩散公式计算扩散半径：

式中，R为扩散半径，cm；r0为注浆孔半径，取1.8cm，p为注浆压力，厘米水头，H=p/γ=p/ρg=3×106/1.714×104=17500cm；k为渗透系数，取1.5cm/s；t为注浆时间，取600s；n为孔隙率，测试表明无烟煤n=0.47～0.53；β为浆液粘度对水的粘度比，取20。

将各参数带入式(3)中得出成庄矿3#煤巷帮水泥注浆浆液扩散半径为：

=200cm=2.0m

注浆孔间排距在浆液扩散半径基础上按照尽量降低注浆工程造价和保证最佳充填效果两方面综合考虑确定，一般注浆孔间排距小于2倍的扩散半径。根据注浆工程经验，排距m和间距n分别为1.74倍和1.6倍的扩散半径，即：排距m=1.74R=3.48m，n=1.6R=3.2m。为保证注浆效果，最终选取间距2m，排距为3m。

3.2 注浆材料与参数

1)采用可注性强、流动性好、渗透性强、粘结性好的联邦加固Ⅰ号作为注浆材料，水灰比为0.6∶1～0.8∶1。

2)注浆钻孔参数。注浆孔布置如图3所示，帮、顶浅孔分别为3m和5m，深孔为8m，直径36～58mm，间距1.8～2.0m，排距3m，采用深浅孔交替布置以增强浆液扩散效果。浅、深孔注浆终孔压力分别为4MPa和6MPa，注浆工序遵循由浅入深，由低到高的顺序。

图3 加固支护断面图(mm)

3)注浆锚索参数。注浆后采用强力锚索进行主动支护控制2103巷围岩长期流变变形。锚索规格为SKP22-1/1720-7400，索体极限破断力550kN，最大力总延伸率不小于5%，配合高强度锁具和拱形可调心托板，间距×排距=1.8m×2.0m。采用一支MSK2335和两支MSZ2360树脂锚固剂锚固，帮、拱锚索预紧力分别不低于150kN和250kN，张拉后进行注浆，注浆工艺同上，终止压力2～3MPa。

3.3 2103巷施工情况及加固效果分析

3.3.1 施工情况

2103巷加固长度426m，打设注浆钻孔1388个，其中施工3m注浆孔308个，5m注浆孔463个，8m注浆孔617个，消耗联邦加固Ⅰ号567.14t。围岩支护施工锚索878根。沿巷道走向各区域材料消耗分布情况如图4所示，2103巷帮顶每排注浆钻孔消耗注浆材料均量为4.0t，消耗量集中在3～6t之间，仅有少数几排注浆钻孔消耗量达到6t以上。通过注浆量统计总体分析2103巷加固区域注浆材料分布情况，围岩变形严重区域，注浆材料消耗量普遍较大，各区域材料消耗量与巷道围岩变形情况一致，注浆量大小真实反映了区域围岩破坏情况。

图4 2103巷帮顶联邦Ⅰ号注浆材料分布

3.3.2注浆施工效果

2103巷9#横川至12#横川之间巷道加固施工完成后，为了检测注浆效果，在局部区域进行了钻孔窥视，现场对注浆充填效果进行了观察。一共布置了8个钻孔，其中顶板钻孔4个，孔深8000～9000mm，巷帮钻孔4个，孔深6000～8000mm。窥视结果表明，注浆施工后联邦加固Ⅰ号结石体对围岩裂隙进行了有效充填，裂隙内形成了较完整的充填层，充填体填塞裂隙后有效重塑了破碎围岩体的结构，保证锚杆、锚索将力传递到围岩深部，起到控制巷道围岩变形的作用，保证了巷道的安全。

3.3.3 注浆后煤岩体锚固力影响分析

对2103巷受双侧采动影响后帮部煤体注浆前后锚索预紧力进行了张拉试验。结果表明，注浆后锚索预紧力增长幅度为20%～39%之间，说明通过注浆对破碎围岩的充填胶结作用，显著提高了围岩的可锚性，保证锚索支护初期对围岩施加较高的预紧力，增强了锚索对破碎围岩的约束效果。

3.3.4 巷道表面位移监测

2103巷围岩变形量如图5所示，从巷道围岩表面位移结果看，对2103巷破碎围岩进行注浆改性和二次补强支护后，巷道围岩整体变形量很小，两帮最大收缩量为50mm，顶底板最大移近量为65mm，说明进行注锚综合加固施工后有效控制了2103巷围岩变形。

图5 2103巷围岩变形量

4 结 论

1)受相邻工作面多次强采动影响产生的高应力反复加载、挤压，诱发煤岩体发生屈服、剪切滑移等碎胀变形，导致大巷围岩松散破碎，残余强度急剧劣化，支护承载结构稳定性丧失，是大巷失稳变形的直接原因。故必须进行注浆加固，提高围岩完整性和稳定性，在此基础上开展主动支护设计。

2)联邦加固Ⅰ号注浆的作用主要表现为，浆液注入破碎围岩裂隙，凝固后的结石体充填、嵌入破碎围岩内部裂隙，恢复其完整性，依靠结石体的高抗压强度，阻止围岩扩容性破坏向深部发展。注浆充填改性后采用高预应力锚索对围岩施加强力边界条件，可有效传递锚索等支护体施加于围岩表面的预应力，扩大锚索对围岩支护的作用范围和深度，进一步提升支护承载结构的承载能力，确保加固后的巷道围岩长期稳定。

3)巷道各区域材料消耗量与巷道围岩变形情况一致，注浆量大小真实反映了区域围岩破坏程度，使用的注浆材料与现场条件相适应。联邦加固Ⅰ号浆液在0.6∶1～0.8∶1的低水灰比、高结石率、高强度条件下，具有良好的可注性，能够注入0.5mm左右的窄小缝隙，显著提高了破碎围岩完整性，改善了破碎围岩结构。确定的注浆参数与施工工艺合理、可靠，为破碎围岩下的重要井巷工程修复提供了可靠手段。

4)注浆加固重塑了破碎围岩结构，全区域帮顶锚索钻孔一次成孔率达到90%以上；锚索预紧力普遍达到180kN以上，显著提高了破碎围岩可锚性；针对双侧采动影响巷道，采用注浆改性后主动支护的综合加固技术，显著提高了围岩抗扰动能力，加固后锚索受力均匀，两帮最大收缩量为50mm，顶底板最大移近量为65mm，有效控制了巷道破碎围岩变形，加固效果显著。