厚煤层回采巷道掘进过陷落柱围岩控制技术研究

李浩男

（晋能控股煤业集团 成庄矿，山西 晋城048000）

1 概 况

成庄矿主采3号煤层，煤厚5.8 m，煤层倾角0～2°，平均为1°；煤层直接顶为1.6 m厚粉砂岩，老顶为9.1 m厚中粒砂岩；直接底为2.78 m厚粉砂岩，老底为3.78 m厚砂质泥岩。53153巷为5315工作面辅助运输巷，巷道掘进断面尺寸为5.0 m×3.3 m。根据地质资料显示，53153巷2号横川开口以里481.6 m，发育1个推测陷落柱TX1，该陷落柱走向长42.8 m，倾向长30.3 m，在53153巷道内影响长度约42.8 m。53153巷2号横川开口以里534.6 m，发育陷落柱X181，该陷落柱走向长93.4 m，倾向长92.4 m，在53153巷巷道内影响长度约20 m。陷落柱与巷道间位置关系如图1所示。

图1 巷道及陷落柱位置Fig.1 Position of roadway and collapsed column

2 巷道支护效果模拟分析

为分析陷落柱区域巷道支护效果，采用数值模拟软件对巷道无支护状态、超前预注浆加固以及注浆加固加锚网带支护效果进行分析。

2.1 应力分布规律

2.1.1 垂直应力

通过模拟分析可知由无支护—超前预注浆加固—注浆加固—锚网带支护的过程中，应力释放率逐渐减小，两帮应力集中范围减小，应力值增大。随着围岩强度的提高，围岩的应力集中现象得到了很好的控制，注浆加固破碎带围岩有较好的优势。垂直应力如图2所示。

图2 垂直应力云图Fig.2 Cloud of vertical stress

2.1.2 水平应力

由数值模拟分析可知：①在无支护情况下，在破碎带巷道顶、底板围岩深部内出现大范围的水平应力集中区域，围岩浅部应力较小，在围岩内形成水平应力差，加速了围岩蠕变破坏；②注浆加固后围岩整体性提高，明显改善了水平应力在巷道顶、底板的集中现象；③注浆加固后进行锚杆索支护，底板水平应力集中现象进一步降低，顶板高水平应力集中现象主要在近距离围岩内，锚固支护充分调动了围岩的自承载能力。水平应力如图3所示。

图3 水平应力云图Fig.3 Cloud of horizontal stress

2.2 塑性区分布规律

同时对巷道围岩塑性区分布情况进行模拟分析，包括无支护、预注浆加固和预注浆及锚网支护3种支护状态下，如图4所示。①无支护时巷道围岩塑性区半径较大，达到6 m，巷道围岩稳定性很差，控制难度大；②采用超前注浆加固后，破碎围岩整体性得到改善，塑性区半径明显减小；③配合锚网带支护后，巷道围岩塑性区范围得到进一步改善，特别是顶板和两帮塑性区明显减小，表明预注浆和锚网支护对破碎围岩的控制效果最好。

图4 塑性区分布示意Fig.4 Plastic zone distribution

3 陷落柱区巷道围岩控制技术

3.1 超前预注浆加固

3.1.1 钻孔布置

预注浆[3-4]钻孔需结合其加固的区域，采用不同的钻孔施工参数，见表1，巷道顶板、两帮及底板等周边钻孔距离巷道轮廓线均为0.5 m，如图5所示。1～5号注浆钻孔加固巷道迎头前方顶板围岩，在围岩内形成拱形壳体，维护巷道掘进区域围岩稳定，同时可隔离深部围岩应力的传递；6号、8号注浆钻孔加固巷道两帮围岩，提高其抵抗巷帮垂直高应力的作用；7号注浆钻孔加固迎头前方围岩，维护其稳定性；9号～11号注浆钻孔加固巷道迎头前方底板围岩，防止高应力作用下巷道出现大范围底鼓；两个检查孔作为效果考察孔，观测注浆加固效果，同时可进行补充注浆加固。

表1 超前注浆钻孔参数Table 1 Parameters of advanced grouting drilling

图5 超前注浆加固钻孔布置Fig.5 Arrangement of borehole reinforced by advanced grouting

3.1.2 注浆工艺

由于TX1和X181陷落柱对于53153巷的影响长度较长，一次性超前注浆很难实现，且施工周期长，注浆效果及施工质量都将受到极大影响，基于现场实际情况，采用钻、注交替作业的分段前进式注浆工艺。

结合陷落柱探测情况，确定单次循环加固长度为20 m，有效长度18 m，预留2 m作为安全维护带。注浆材料为A、B加固材料，正常水灰比为0.8∶1，注浆压力选取10～15 MPa。

3.2 锚网带支护

巷道通过陷落柱期间，为维护围岩稳定，需进行加强支护，采用缩减锚杆索间排距的方法。顶板采用直径22 mm，长2 800 mm的高强锚杆，锚杆间排距为900 mm×1 000 mm，每排布置6根，采用树脂加长锚固，并用钢筋托梁连接；配合锚索进行补强支护，锚索直径22 mm，长6 300 mm，间排距为2 000 mm×1 000 mm；并采用金属网护表。巷帮锚杆与顶板规格和锚固方式一致，每帮每排3根，间排距1 100 mm×1 000 mm；采用钢筋复合网护表。

3.3 架棚工艺

棚梁采用12号工字钢梁，规格为4 300 mm；棚腿采用U25钢，上腿长度为1 800 mm、下腿长度为2 000 mm；采用拉杆连接，棚距1 200 mm，柱窝深200 mm，距帮不大于450 mm，棚腿扎角350～450 mm，采用1 400 mm长背板背顶背帮。

4 效果分析

53153巷掘进过2个陷落柱影响区后，采用十字测点法在陷落柱影响区域布置4个测点，对巷道表面位移进行为期30 d的观测。开挖支护后的14 d内，围岩变形速率较大，之后逐渐趋于平缓，20 d后，围岩自稳。在30 d的矿压监测周期内，4个测站中处于陷落柱周边应力升高区的测点，其顶底板移近量最大，为191 mm；处于陷落柱中间的4号测站，其顶底板移近量和两帮收缩量均最小，分别为179 mm和108 mm，可见注浆加固提高了围岩完整性；2号测站两帮收敛量最大，为141 mm，该测点位于陷落柱边界，处于应力异常区域，柱体内垂直应力与水平应力均小于柱体外围岩应力，柱体内软岩破碎带为柱体边界应力升高区提供卸压途径，围岩位移量增大。整体而言，巷道掘进过陷落柱期间围岩变形不大，满足安全生产使用要求。

图6 超前注浆加固钻孔布置Fig.6 Arrangement of borehole reinforcement by advanced grouting

5 结 论

（1）通过数值模拟分析巷道开挖支护后的应力变化规律，可知从无任何支护到注浆加固围岩的过程中，应力释放率减缓，巷道围岩的塑性区范围减小；锚网带支护结构起作用后，围岩的应力集中现象得到了很好的控制。

（2）通过围岩变形观测可知，巷道过陷落柱期间，预注浆加固后，巷道开挖支护初期，巷道变形进入加速阶段，随后逐渐趋于收敛，一个月内破碎带围岩能够实现自稳。超前预注浆加固+主被动联合支护方案，对陷落柱影响区巷道围岩控制较为有效，架棚支护可以缓解陷落柱柱体边界的高应力变形。