动压影响近距离巷道群内水仓加固技术

2014-04-20毛仲敏

中国煤炭 2014年8期

王涛毛仲敏

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116）

巷道群稳定性一直是国内外学者研究的课题。成庄矿水仓布置在3＃煤层底板泥岩软弱岩层中，围岩地质条件差，水仓岩体属松软破碎岩体，自身承载能力低。区域内巷道布置密集，巷道围岩应力分布复杂，应力叠加导致矿压显现较强烈，受相邻工作面回采动压影响进一步加剧巷道围岩变形。如何在该围岩地质条件下，解决对巷道群进行加固支护的难题，维持矿井的持续发展迫在眉睫。本文以二盘区水仓为研究对象，分析了围岩破坏的原因及围岩加固的作用原理，通过现场实测对加固方案进行监测，力求解决这个支护难题。

1 试验点调查及地质力学评估

成庄矿二盘区原水仓因采动压力的影响，破坏严重而报废。为保证矿井正常生产，在二盘区下部重新布置盘区水仓及水泵房等硐室，巷道及硐室布置见图1。该区域北侧分别布置有泵房、变电所、2102、2103和2104 3条盘区大巷，甲、乙水仓紧邻变电所布置，两水仓布置在同一个水平，甲水仓设计为主水仓，乙水仓设计为副水仓，乙水仓位于甲水仓与变电所之间，两水仓间距（中-中）13～30m，水仓与泵房以及大巷相互之间净煤柱宽度均不超过20m，区域巷道布置密度高，保护煤柱宽度较小，形成了近距离巷道群，二盘区下部甲、乙水仓均为直墙半圆拱形状，断面净宽2700mm，净高2350mm，两帮、顶板均采用锚网索喷支护，底板采用混凝土C10浇筑，硬化厚度100mm。

图1 水仓布置图

由于布置水仓的3＃煤层底板岩体为软弱泥岩，强度较低，且遇水易软化，又受相邻巷道掘进动压影响，导致围岩整体稳定性差。通过观测目前底板变形严重处底臌量已达1000 mm 以上，巷帮、顶板变形导致喷层开裂、掉落，两帮收缩达600mm；而且与水仓相邻布置的2321综放工作面的停采线与水仓之间煤柱宽度不到100m，根据成庄矿已有二盘区回采工作面矿压显现规律，受2321工作面回采动压扰动影响势必会导致水仓变形加剧。

2 围岩破坏原因分析

2.1 破碎围岩结构分析

围岩体内不连续面以及许多掘进初期是闭合的微裂隙随着巷道围岩的变形逐渐张开，严重影响了巷道围岩的稳定性。为详细了解水仓变形后围岩内裂隙的分布状况，采用先进的钻孔窥视仪器对甲水仓围岩的结构进行仔细调查和分析。

由围岩窥视结果可知，甲水仓巷道帮部破坏比较严重，1000 mm 范围内连续破坏，存在大量裂隙，孔壁极破碎，孔深1500～7000 mm 发育有3组以上破碎段，围岩沿水仓轴向劈裂，裂隙附近围岩破碎，孔深7200 mm 处煤渣堵孔。顶板相对较完整，距孔口1500 mm 范围内，破坏较严重，存在裂隙和离层；孔深大于2200 mm 的顶板内部结构较完整，孔深8000 mm 以上区域，顶板分层面轻微开裂。

水仓围岩体裂隙发育较深，扩容变形程度剧烈，根据现场观测水仓围岩仍在持续产生变形，说明水仓围岩十分软弱。已有的锚网索支护对围岩强度的强化作用有限，受相邻巷道掘进动压影响，水仓围岩内部应力重新分布，产生的高应力导致现有支护难以控制甲水仓围岩的有害变形，随着围岩持续变形，裂隙由浅入深不断扩展，浅部形成的支护承载结构的承载能力持续降低，今后若再受回采动压影响，应力集中系数会进一步增大，水仓围岩内受力状况进一步恶化，导致水仓支护失效，整体产生失稳、破坏。

2.2 动压影响水仓围岩应力分布状态

根据现场条件，建立FLAC3D 数值模型，分析2321综放工作面回采时采动压力将对甲水仓产生的影响。

受工作面回采产生的动压影响，甲水仓围岩浅部不断破碎，内部生成大量裂隙，岩体的应力水平降低，相对应浅部围岩承载能力急剧降低，水仓围岩变形、破碎导致锚杆锚固范围内岩体围压较低，使支护体在极低的锚固力下工作，锚固力不断损失导致浅部围岩可锚性进一步降低；井底水仓的强烈变形，尤其是岩体深部和浅部的非均匀变形在杆体锚固范围引起较大的剪力，这要求锚杆提供足够的锚固力，但裂隙发育的软岩锚固性能急剧削弱难以使锚杆提供高锚固力控制水仓变形，致使水仓原有支护失效。

3 破碎围岩加固作用原理

根据成庄矿水仓目前采用的支护方式和变形破坏情况，结合水仓围岩地质力学条件，从提高支护强度和增强支护承载结构的长期稳定性出发，提出水仓加固原则。在已有主动支护的基础上，采用注浆原位加固方法提高锚杆及其支护构件与围岩形成的支护承载结构强度，然后采用注浆锚索进行结构补偿增强其稳定性。动压影响近距离巷道群内水仓高强稳定性加固支护的思路如下：

（1）采用水泥浆液注入已变形破碎围岩裂隙，将破碎围岩进行重新组合，提高破碎围岩的承载能力，同时恢复或构成完整的岩体结构，进而形成连续的结构体。而且，高强度固结体充填嵌入破碎围岩内部裂隙，保证锚杆、锚索施加围岩表面的预应力能够完整传递到锚固范围的围岩内，显著提高支护承载结构的强度。

（2）在采用水泥浆液提高锚网支护承载结构承载能力的基础上，进一步采用预应力全长锚固的锚索进行补强，提高支护-围岩承载结构的稳定性和围岩抗剪胀变形的能力。而且进行全长锚固，可有效防止水对锚索产生的锈蚀，提高锚索的使用寿命。

（3）水仓为永久巷道，控制底臌很关键。采用预应力全长锚固的强力锚索支护，以保证底板长期稳定。

4 现场试验

4.1 水仓加固方案

在水仓已有锚网支护基础上，采用注浆钻孔与锚索安装孔合二为一的加固方法，即利用注浆钻孔安装锚索，并在锚索预紧后对围岩升压注浆。采用规格为ø22mm×8300mm 锚索，配套高强度拱形托盘，加装调心球垫；钢筋网由ø6.5 mm 钢条焊接而成，网孔100mm×100mm，规格2000mm×1700mm；注浆管为A1216 铝塑管；水泥浆液使用42.5级普通硅酸盐水泥，按照水灰比0.6∶1～1∶1配合水泥注浆添加剂XPM 配制，添加剂用量为水泥重量的8%～10%。先加固底板、后加固帮顶，帮顶加固由低到高。

4.1.1 底板加固

水仓底板加固前清淤并拆除轨道、起底，加固后硬化底板厚度250～300 mm。底板注浆锚索钻孔沿巷道走向成排、五花眼布置，排距1500mm，间距1100～1300 mm，中线上钻孔垂直于底板向下，中线两侧的钻孔外扎角6°～10°，孔深8000 mm±100mm，钻孔布置见图2。使用地质钻机打孔，钻头直径56 mm，成孔后预埋锚索，并将塑料灌浆管插至孔底，灌入水泥浆，然后拔出塑料管，底板注浆孔预埋锚索7d后，铺设钢筋网，注浆前张拉预紧，锚索预紧力不小于180kN。

图2 二盘区下部水仓注浆钻孔（锚索）布置

4.1.2 两帮及顶板加固

水仓两帮、顶板注浆锚索钻孔成排、五花眼布置，排距1600mm，间距1200～1700mm，两帮底脚钻孔下扎15°～20°，其余注浆孔垂直岩面，孔深8000mm±100mm，钻孔布置见图2。垂直岩面钻孔使用地质钻机开孔，钻头直径56mm，钻孔深度3000mm；钻孔里段5000mm 采用MQT-120锚索钻机或MQB50 帮锚杆机成孔，钻头直径30 mm。采用1支规格为K2335和2支规格为Z2360树脂锚固剂端部锚固，树脂锚固长度1750 mm，铺设钢筋网，注浆前张拉预紧，预紧力不小于250 kN。两帮底脚下扎注浆锚索与底板锚索施工工艺相同，锚索预紧力不小于180kN。

所有注浆锚索孔内注浆管在锚索端部锚固后安装，并在锚索安装预紧后压注水泥浆，注浆终压4～6 MPa，形成预应力全长注浆锚固锚索。安装时锚索用棉纱封孔、止退钢管限位，注浆管为A1216铝塑管制成，铝塑管长度3500 mm，由托盘注浆管引出孔引出，外露长度不小于300mm，锚索安装如图3所示。

4.2 矿压监测

针对水仓破碎围岩，以注浆加固为基础进行锚索强力支护的综合加固技术，显著提高了围岩抗扰动能力。对甲水仓加固后对锚索受力和围岩表面位移进行了监测。矿压监测数据如图4所示，锚索初期受力呈轻微下降趋势，随后受力稳定；甲水仓围岩变形最大底臌量为11 mm，顶板最大下沉量为10mm，两帮位移量60 mm 以内，说明加固支护后有效控制了水仓破碎围岩变形，加固效果显著。