二次采动条件下巷道围岩支护技术研究

范志明

(山西天地王坡煤业有限公司， 山西 晋城 048021)

双巷布置是指部分矿井由于生产需要在工作面一侧布置两条巷道，其中外侧的巷道在工作面回采后仍然保留做为下一工作面回采巷道使用[1-2]. 该巷道要受到两次采动影响，一是上个工作面回采期间引起的侧向支承压力的影响，二是下个工作面回采期间的超前支承压力的影响，两者叠加影响势必对巷道造成一定的破坏[3-4]. 因此，巷道抵御变形破坏的支护问题成为研究重点，现有的支护技术一是广泛采用的外界加固技术，如棚式支护、锚网索支护等，二是改善巷道围岩本身结构，提高承载能力的支护技术，如注浆加固技术[5]. 国内外许多学者对注浆加固技术做了大量研究，黄耀光等[6]在研究大埋深巷道围岩控制技术中，探索了巷道围岩塑性破坏机理，揭示注浆加固对大埋深巷道围岩塑性破坏的影响，对不同注浆方式巷道围岩变形进行了大量的工程实践研究。白璐[7]针对回采巷道在工作面回采期间发生的变形破坏、支护失效等问题，以新三矿为工程背景，分析了围岩破坏原因，提出了注浆加固改善围岩结构、提高围岩自身性能，增强承载能力的思路，并运用于工程实践，取得了良好的效果。

王坡煤矿二采区采用双巷布置，预留的回采巷道将面临二次动压影响，以往采用的“高强预紧力锚杆+架棚”支护效果差，巷道变形严重，探索经济有效的支护新技术对整个二采区安全高效生产意义重大。

1 工作面概况

王坡煤矿位于山西省晋城市泽州县内，主采3#煤层，平均煤厚7.76 m，煤层埋深500～600 m，煤体内节理裂隙发育，局部含有夹矸，直接顶为约4 m的砂质泥岩，基本顶为8.89 m的中砂岩，直接底为2.10 m的泥岩。二采区3207工作面采用双巷布置，工作面一侧布置3207回风巷和3209运输巷，两条巷道间距35 m，见图1. 3209运输巷先服务于3207工作面，用于抽采3207工作面瓦斯，3207工作面回采结束后担任3209工作面运输任务。

图1 3209运输巷位置图

3209运输巷埋深560 m，断面形状为矩形，设计长度2 000 m，巷道宽和高分别为5 m、3.4 m，巷道断面17 m2，初始采用“锚网索+钢带”支护方案，工作面倾向长度为180 m. 3209运输巷先受到3207工作面回采期间的采动影响，后期受到3209工作面回采的影响，在以往的生产实践中可知，受二次采动影响的巷道最大顶板下沉量680 mm，两帮相对移近量595 mm，严重影响了矿井安全高效生产。

2 二次采动巷道变形破坏机理

采用FLAC3D数值模拟软件，对3209运输巷分别受到3207工作面采动侧向支承压力影响以及3209工作面回采超前支承压力影响进行数值模拟，从巷道围岩应力演化、位移变形及塑性区角度分析巷道破坏机理和过程。该数值模拟模型以工作面实际地质条件为背景，模型长300 m×宽220 m×高80 m，本构模型采用Mohr-Coulomb，模型图见图2，共计705 604个单位和730 546个节点。第一次监测3207工作面回采180 m对3209运输巷的影响，监测点在180 m的中间，第二次监测3209工作面回采对3209运输巷的影响，监测点在工作面45 m范围内。

图2 数值模拟模型图

从模拟结果可知，在3207工作面回采过程中对3209运输巷第一次采动影响时，3209运输巷顶板水平应力明显升高，处于应力升高区，最大水平应力为23.24 MPa，应力集中系数为1.79，运输巷煤柱侧和工作面侧的垂直应力明显升高，最大值分别达到19.65 MPa、17.53 MPa，应力集中系数分别为1.49、1.35，第一次采动影响的顶底板和两帮最大移近量也达到了122 mm和242 mm，巷道塑性区在0～5.6 m，主要发生塑性剪切破坏。

第二次采动影响，即3209工作面回采期间对3209运输巷的影响，受超前支承压力作用，巷道顶底板、两帮的应力继续增大，煤柱侧和工作面侧的垂直应力最大值分别达到21.4 MPa、25.64 MPa，顶板水平应力最大值也增大至16.4 MPa，工作面前方39 m范围内巷道均发生不同程度的变形，其中两帮、顶底板相对移近量最大值为560 mm、732 mm，部分模拟结果见图3，4.

图3 第一次采动影响部分模拟结果图

图4 第二次采动影响部分模拟结果图

3209运输巷沿3#煤层底板掘进，所采范围内煤层厚度5.9 m，煤体内存在较为发育的节理裂隙，煤体本身强度不高。从数值模拟可以看出，锚网索支护效果不佳的原因为3209运输巷采用的原锚网索支护方式，由于受两次采动先后影响，巷道围岩水平应力和垂直应力进一步加大，应力系数增大，围岩体变形甚至破坏，塑性区逐步扩展，工作面侧帮、煤柱帮、顶板、底板塑性区最大扩展至5.7 m、5.3 m、6.6 m和7.0 m，塑性区范围远超过采用2 400 mm锚杆的锚固范围，导致锚杆失去锚固作用，支护效果不佳。

3 注浆加固支护技术研究

1) 注浆加固方案研究。

由于巷道围岩塑性破坏，裂隙比较发育，根据断裂力学理论可知，在裂隙端部会产生强烈的应力集中现象，导致裂隙进一步发育，如何控制和改善围岩裂隙发育情况，成为支护重点，而注浆加固则很好满足这一点，即通过在围岩裂隙注入浆液，填充压实裂隙，使围岩在浆液作用下成为整体，增大了围岩整体承载能力，消除裂隙端应力集中现象[8]. 具体注浆方案如下：巷道顶板和两帮先采用注浆管进行注浆加固，注浆深度3 m，然后对顶板、两帮采用注浆锚索加固，深度分别为7 m和6 m. 注浆孔布置如下：顶板注浆孔布置方式为“2-3-2”，间距和排距分别为1 500 mm和1 000 mm，2个浅部注浆孔距左右两帮1 700 mm，3个注浆锚索距两帮1 000 mm；两帮采用间隔布置注浆，排距和间距分别为 1 000 mm、1 800 mm，均垂直巷帮布置。利用FLAC3D数值模拟软件对原支护方案和增加注浆加固方案进行数值模拟，从应力分布、塑性区情况和位移变化等角度比较两者围岩变形情况。

从模拟结果可知：a) 垂直应力情况。初始支护方案和注浆加固支护方案条件下，工作面侧煤体支撑压力分布情况一致，分别为26.52 MPa和28.70 MPa，应力集中系数分别为2.1和2.15，煤柱侧煤体的支撑压力分别为26.4 MPa和30.26 MPa，应力集中系数分别为2.1和2.26，支撑压力的应力峰值位置分别为5.6 m和4.9 m，说明注浆后改善了围岩应力分布。b) 水平应力分布。两种方案模拟水平应力分布情况，初始支护条件顶板水平应力最大值40 MPa，应力集中区域大，注浆加固后顶板水平应力最大值32 MPa，应力集中区域小，且应力分布比较均匀。c) 垂直位移和水平位移情况。原支护条件下围岩出现了顶板下沉、底鼓的情况，顶底板最大变形量675 mm，采用注浆加固方案后顶底板最大变形量385 mm，下沉量下降了57%；巷道两帮在应力作用下出现了不同程度的变形，距工作面前方0～6 m，两帮移近量呈现增长趋势，最大值为589 mm，注浆加固后两帮最大值仅为230 mm，两帮相对移近量下降39%. d) 塑性区范围。原支护条件下塑性区范围较大，工作面侧帮、煤柱帮、顶板、底板塑性区最大扩展至5.7 m、5.3 m、6.6 m和7.0 m，注浆加固后工作面侧帮、煤柱帮、顶板、底板塑性区最大扩展至5.5 m、4.4 m、3.0 m和6.2 m.

2) 注浆工艺。

注浆材料选择。顶板采用化学改性水泥浆，两帮使用水泥基无机注浆材料。a) 化学改性水泥浆采用普通硅酸盐水泥，并添加水玻璃和浆液黏结改性液改善浆液流动性和黏结力。材料配比如下：水灰比为0.6∶1～1∶1，根据实际情况再做小范围调整。水泥-水玻璃配比为水玻璃浓度40°Bé左右，模数3.0，每100 kg使用水玻璃3.0～3.4. 水泥浆黏结改性液的作用是降低水泥浆固结体的脆性，提高浆液与破碎煤岩体的黏结力，主要由“TDDS 103”改性而成，在施工过程中其用量一般为水泥总重的0.1～0.2. b) 水泥基无机注浆材料也是用普通硅酸盐水泥配合水泥注浆添加剂XPM. 材料配比如下：水灰比为0.7∶1～1∶1. 添加剂配比一般占水泥重量的0.07～0.1. 水泥-水玻璃配比为水玻璃浓度40°Bé左右，模数3.0，每100 kg使用水玻璃3.0～3.4.

注浆时机的选择。由于巷道围岩受到的二次采动影响存在时间差，在摸清围岩随时间推移而变化的规律基础上，选择最佳的注浆时机，即在工作面前方130 m进行围岩浅部注浆，注浆完成后在工作面前方70 m处进行深部注浆，此时由于围岩较为完整，能承载较大的超前支承压力。

注浆压力确定。注浆压力与围岩破碎情况、浆液性能、围岩应力分布等有直接关系，在结合实际地质条件下，对浅部注浆和深部注浆压力分别研究。在浅部注浆时为了避免注浆压力过大造成漏浆跑浆情况，严格控制注浆压力在1 MPa左右，若围岩较为破碎，可适当减小注浆压力，反之则适当增大。深部注浆时由于两帮为煤体，顶板为岩体，其封孔效果和围岩性质等存在差异，根据现场实践经验，两帮深部注浆压力控制在2～2.5 MPa，顶板深部注浆压力控制在4～6 MPa.

注浆孔封孔长度确定。根据巷道地质条件，借鉴封孔经验，同时保证封孔质量，注浆口封孔要求为浅部注浆封孔尺寸大于1 100 mm，深部注浆封孔尺寸不小于1 600 mm. 注浆工艺见图5.

图5 注浆工艺流程图

3) 工业性试验。

为验证注浆方案的合理性，在3209运输巷中选择合适位置进行注浆加固试验100 m，并对注浆试验段加固效果和未注浆加固巷道矿压进行监测，监测内容为顶板离层监测和巷道围岩变形量。监测测站共布置10个，监测位置距3209开切眼200 m为第一个测站，每隔20 m布置新的测站，其中注浆段监测站10个，未注浆段监测站10个，采用LBY-3顶板离层仪布置在每个测站。

监测过程及结果如下：a) 巷道顶板离层情况。每天定时对顶板离层仪进行数据记录，通过在3月10日—5月10日两个月的监测结果可知，注浆加固后深基点最大离层92 mm，在未注浆段的巷道围岩变形中，深基点最大离层202 mm. b) 巷道围岩变形情况。通过“十”字交叉法，在巷道测站位置的顶板、底板、两帮分别布置测点，定时对水平方向和垂直方向各测点的相对移近量进行测量，可反映出巷道围岩顶底板、两帮的变形情况。通过现场观测数据处理可知，在未注浆段的巷道围岩变形中，顶底板最大变形量684 mm，两帮最大变形量594 mm，现场实测的原始支护条件下围岩变形情况与数值模拟结果相近，注浆加固后顶底板和两帮最大变形量分别为360 mm和246 mm，与数值模拟结果一致，注浆后顶底板最大变形量和两帮最大变形量下降52%和41%，说明围岩注浆后围岩控制变形效果良好。

4 结 论

王坡煤矿3209运输巷分别受侧向支承压力和超前支承压力影响，造成围岩变形严重，而原锚网索支护效果差，从围岩破坏机理分析入手，分析了注浆加固支护适用性，并提出“浅孔+深孔”层次注浆加固技术。在3209运输巷进行现场工业试验100 m，对顶板离层和巷道围岩变形情况进行监测，研究结果表明，顶底板和两帮最大变形量分别为360 mm和246 mm，与原支护条件下巷道围岩变形量相比大幅下降，这说明“浅孔+深孔”层次注浆加固技术效果显著，为王坡煤矿二采区甚至其他相同条件下巷道围岩支护提供了宝贵经验。