二次扰动下大变形煤巷复合支护技术优化研究

薛彦平

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

我国煤炭生产主要是井工开采，开采过程中需要掘进大量巷道，井下巷道失稳变形已经成为制约煤矿安全高效生产的重要因素，因此，展开井巷支护技术的研究对煤矿的安全生产尤为重要[1，2]。然而，矿井开采条件千变万化，围岩性质、开拓方式也各不相同，这极大程度地增加了巷道支护难度。关于井巷支护技术的研究，国内外学者已经展开大量工作，形成了诸多支护理论[3-11]。同时，在实用技术方面我国学者也取得了大量研究成果，钱鸣高院士[12，13]通过对采场支架—围岩关系的研究，建立采场围岩整体结构与砌体梁力学模型；孙小岩等[14]对大断面托顶煤巷道的破坏特征进行分析，提出了大断面托顶煤巷道“全断面控型易损部位强化控制技术”；李民族等[15]对支护材料、方法和支护参数进行了优化设计；王国法等[16]制定了“单架控制→组控制→群控制”三级协同控制策略和实现方法；张杰等[17]采取内部和外部支护相结合的措施来保证回撤通道围岩的稳定性；张瑞等[18]开展了顶板水力压裂应力转移保护盘区大巷技术试验，使盘区大巷变形得到有效控制；米万升等[19]设计了锚杆(索)“预加载荷+承压器分时散压”的支护方案；吴拥政等[20]提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控技术，有效抵御了高动、静叠加载荷，减小了巷道围岩整体冲击变形。综合上述研究，为保证王坡煤矿安全、高效生产，选取王坡煤矿3209工作面回风巷为工程背景，对巷道支护失效、围岩大变形问题展开分析，优化原有支护技术方案，设计优化支护技术参数，并开展现场应用。

1 工程概况

王坡煤矿3209工作面主采3#煤层，平均埋深450m，厚度5.97m，倾角6°。该工作面为半孤岛工作面，与3207工作面采空区相邻布置有回风巷和高抽巷，两条巷道间煤柱宽度7m，回风巷与3207工作面采空区间煤柱宽度20m，如图1所示。回风巷以锚网索支护为主，局部变形严重区域采用锚网索配合U型钢棚组成的联合支护，具体支护参数如图2所示。受3207工作面回采形成侧向支承压力和高抽巷掘进扰动影响，回风巷围岩矿压显现十分剧烈，巷道全断面产生不同程度变形，锚杆、锚索由于变形破断而失效，金属网也出现网兜现象，顶板W钢带严重弯曲变形，甚至撕裂，少数锚索、托板被压坏，已经严重威胁巷道安全稳定。矿方采用刷巷、起底后架设U型钢棚的方式对巷道进行了大面积返修，但总体效果仍不理想。因此，为有效控制3209工作面回风巷围岩大变形，确保矿井安全、高效生产，亟需对该巷原有支护技术方案进行优化研究。

图1 3209工作面巷道布置

2 回风巷支护技术优化

2.1 优化支护技术方案

通常情况下，巷道围岩控制可以采取棚式支架支护、锚杆、锚索支护和注浆加固等方法[21]。根据3209工作面回风巷围岩变形破坏特征，加固工程应建立在以恢复围岩内部结构完整性的基础上，利用主动支护对巷道围岩进行加固。以原有支护强度为前提，结合大量工程实践资料，在能够保证工程质量并最大程度减小工程量的前提下对原有支护技术方案进行优化，提出高压注浆配合强力锚索支护的综合支护技术方案。高压注浆是对破坏巷道围岩裂隙进行充填，把破碎围岩进行重新组合，承载能力大幅提高。同时，恢复或构成相对完整的岩体结构，利于锚杆(索)加固的力传递，极大提高围岩加固质量和效果。高压注浆可使破碎围岩基本恢复到连续状态，但承载能力依然较低，必须对围岩进行强化支护。锚索加固就是在破碎围岩已经恢复连续性后，对其施加有力作用的边界条件，使得注浆围岩承载能力显著增强，有效防止围岩发生二次破坏，确保加固巷道围岩的稳定性。综上，鉴于3209工作面回风巷顶板围岩裂隙发育、煤体破碎、两帮移近量大等情况，经研究对巷道帮部和顶板进行注浆加固，巷道帮部辅以注浆锚索补强支护。巷道支护加固工艺为：水泥注浆→化学注浆→补强支护。

图2 回风巷原支护技术方案(mm)

2.2 注浆加固技术

2.2.1 注浆参数计算方法

为确保注浆效果，便于注浆期间的工程量考核与管理，对每米巷道所需注浆量计算如下[22]：

Q=ρλβηL(2h+b)

(1)

式中，Q为每米注浆量，kg；ρ为浆体密度；λ为浆液损失系数，取1.5；β为浆液充填系数，取0.6；η为巷道围岩裂隙率，取3%；L为注浆深度，m；h为断面墙高，m；b为断面顶板长，m。

为方便注浆施工，提升注浆质量，注浆管应长于注浆长度，注浆管长度按照式(2)计算：

l=l1+l2

(2)

式中，l为注浆管长度，mm；l1为下入长度，mm；l2为外露长度，mm。

根据现场巷道的实际变形情况，以4300mm×3000mm矩形断面进行支护设计，结合式(1)和式(2)，对工艺流程中具体参数进行设计。

2.2.2 水泥浅孔注浆加固

1)注浆浅孔：3209工作面回风巷帮、顶围岩水泥注浆浅孔沿巷道断面成排方式布置，巷道帮顶注浆钻孔呈五花状布置，排距2000mm，帮部注浆孔间距1200mm或1300mm，顶板注浆孔间距1500mm。巷道断面帮、顶部水泥注浆孔布置如图3所示。

图3 回风巷帮、顶水泥注浆浅孔布置(mm)

2)打孔角度：巷帮靠近顶底板注浆孔上仰或下扎5°～15°，其余钻孔垂直两帮；顶板靠近两帮注浆钻孔与垂直巷道顶板方向呈15°夹角，其它钻孔垂直巷道顶板。打孔深度：3209工作面回风巷巷帮水泥注浆浅孔深度2500mm，顶板水泥注浆浅孔深度2500mm，注浆管外露长度为100mm，水泥注浆过程中注浆管总长度为2600mm。

3)打孔设备：利用ZYJ-270/180架柱式液压回转钻机对巷道两帮顶角、底角进行打孔，钻头直径∅42mm；利用ZQS-65/2.5防突钻机对巷道两帮其余垂直钻孔进行打孔，钻头直径∅44mm；利用ZYJ-270/180架柱式液压回转钻机对顶板进行打孔，钻头直径∅42mm。

4)注浆方式：注浆管埋设在孔口，孔内下射浆管，全长一次注浆。注浆材料：水泥浆、水泥水玻璃双液浆。注浆压力：孔口注浆压力可以达到1～3MPa。

2.2.3 围岩化学改性水泥浆加固

1)注浆孔布置：3209工作面回风巷巷帮围岩化学改性水泥浆钻孔沿巷道断面成排布置，巷道帮部注浆钻孔呈矩形布置方式，排距2000mm，间距2000mm，具体注浆孔布置如图4所示。

图4 回风巷化学改性水泥浆钻孔布置(mm)

2)钻孔深度：帮部化学改性水泥浆孔深度4000mm，注浆管外露长度为100mm，化学注浆过程中注浆管总长度为4100mm。钻孔角度：巷帮靠近顶底板注浆孔上仰或下扎5°。

3)打孔设备：利用ZYJ-270/180架柱式液压回转钻机对巷道两帮顶角、底角进行打孔，钻头直径∅42mm。

4)注浆压力：全长一次注浆，注浆终止压力4～6MPa。

2.3 巷帮补强支护技术

化学注浆施工完毕，对巷道帮部进行预应力全长注浆锚索支护。巷道预应力注浆锚索布置情况如图5所示，巷帮锚索沿巷道断面成排、矩形排列，排距1500mm，间距2200mm，帮部钻孔呈“二·一”布置。受到管路影响时，可根据现场施工条件进行适当调整。

图5 回风巷帮部注浆锚索布置(mm)

锚索规格为∅22-1×19-5300mm，其中，外露张拉段为300mm。锚索角度：帮锚索布置方式主要垂直巷帮。锚固方式：采用树脂端部锚固方式，三支锚固剂，其中一支规格MSK2335，另两支规格MSZ2360。树脂锚固长度1970mm，其余部分采用水泥浆进行锚固。

打孔设备：利用ZQS-50/1.6锚杆钻机打孔，钻头直径∅30mm，孔深5000±30mm。扩孔设备：利用ZYJ-270/180架柱式液压回转钻机打扩孔，深度3000mm，钻头直径∅56mm。锚索安装：锚索外端套装有注浆一系列附件并推入至钻孔中，安装托板后引出注浆管，加装球垫进行张拉预紧，如图6所示。锚索预紧力不小于200kN。注浆材料为水泥浆。锚索孔终止压力为2～3MPa。

图6 注浆锚索安装

3 优化支护效果现场检验

矿方采用优化支护技术方案对3209工作面回风巷进行现场工程应用，并通过巷道围岩窥视和变形观测两种方式，检验优化支护技术方案对巷道围岩变形的控制效果。

3.1 巷道围岩窥视

采用钻孔窥视仪窥视优化支护巷道围岩情况，选取3209回风巷1750m处已注浆位置与3209回风巷1850m处未注浆位置分别对西帮、东帮和顶板进行窥视分析，由窥视结果可知：

1)3209回风巷1850m处巷道两帮均出现了塌孔，西帮煤体内0～0.4m较为破碎，0.8～2.0m范围内图像模糊，为窥视时煤泥大量涌起所致，主要原因是煤帮破碎，煤粉较多，遇水形成煤泥，钻孔2.0m后塌孔，煤体内部较为破碎；巷道东帮煤体破碎，打孔后内部出现塌孔，0～0.2m、0.5～1.0m、1.1～1.4m范围内较为破碎，1.5～2.0m内涌起大量煤泥，2.0m后塌孔，煤体破坏范围应较深。该段范围内顶部0.4～0.8m、0.9～1.1m、2.2～3.4m、2.6～2.8m范围内有破碎、裂隙带，其余地段围岩完整，说明顶板围岩破坏集中在0～4m范围内。

2)3209回风巷1750m处巷道西帮煤体内1.0～1.4m、1.9～2.5m、2.8～3.2m范围内可见水泥浆液，注浆孔壁较为完整；2.6～2.7m范围内有轻微破碎，没有离层区。巷道东帮煤体0.4～1.3m、1.4～2.2m、2.7～2.8m、3.1～3.5m范围内可见水泥浆液，注浆后注浆孔壁比较完整。该段范围内顶板0～2.2m范围内可见水泥浆液，整体围岩完整，无破碎区。

通过上述分析发现优化支护巷道两帮煤体打钻施工均比较正常，未出现塌孔现象，注浆后水泥浆液进入煤帮裂隙，形成厚度不同、包容岩块大小和数量也不相同的结石体，可以充分充填、嵌入到破碎围岩裂隙中，使破碎围岩裂隙不断减少直到消失，依靠自身固化后形成的相对较高的抗压强度和完整性，可以有效阻止围岩扩容性破坏进一步向深部发展。同时，还可以很好地恢复围岩完整性。

3.2 巷道围岩变形观测

在3209工作面回风巷掘进面布置4个两帮相对移近量测站和3个顶板离层测站，观测结果如图7所示。由图7可知，自8月7日至8月25日，4个两帮相对移近量观测结果最大值为54mm，3个顶板离层观测结果最大为19mm，围岩变形与顶板下沉距离较小，说明注浆后的巷道围岩整体完整，没有破碎离层区。通过断面窥视和围岩变形分析发现优化的支护技术方案护巷效果显著，能够有效控制巷道围岩大变形，保障矿井安全、高效生产。

图7 巷道围岩变形观测结果

4 结 论

1)鉴于3209工作面回风巷受3207工作面回采形成侧向支承压力和临近高抽巷掘进扰动影响，矿压显现剧烈，巷道围岩变形严重，现有支护难以有效控制围岩大变形。

2)综合现有支护技术，提出高压注浆配合强力锚索支护的综合加固优化支护技术方案，即3209工作面回风巷帮、顶水泥注浆加固后再进行化学注浆加固，最后施工注浆锚索补强支护。

3)通过巷道围岩窥视和变形观测，优化支护巷道围岩整体完整，破碎离层区较小。优化支护巷道两帮相对移近量最大值为54mm，顶板离层最大值为19mm，较原支护巷道围岩变形量下降显著。