复杂应力下的巷道加固技术

能源研究

复杂应力下的巷道加固技术董思嘉（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤矿，山西洪洞041600）

摘要：以复杂应力下的巷道加固技术为对象，结合具体工程实际，在分析巷道围岩变形破坏原因的基础上，探究了

“注浆加固+锚杆索支护”的综合加固工艺在复杂应力环境巷道中的应用，希望能为其他矿井相似工程的开展提供借鉴与参考。

关键词：煤矿；复杂应力；巷道加固中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：2095-0802-(2019)06-0008-02

RoadwayReinforcementTechnologyunderComplexStress(HuipodiCoalMine,ShanxiFenheCokingCoalCo.,Ltd.,Hongtong041600,Shanxi,China)

Abstract:Takingtheroadwayreinforcementtechnologyundercomplexstressastheobject,combinedwiththeactualengineeringpractice,basedontheanalysisofthecausesofsurroundingrockdeformationandfailure,thispaperdiscussedtheapplicationofcomprehensivereinforcementprocessof\"groutingreinforcement+anchorcablesupport\".Itishopedtoprovidereferenceforthedevelopmentofsimilarprojectsinothermines.

Keywords:coalmine;complexstress;roadwayreinforcement

DONGSijia

0引言

A矿井材料下山、回风下山及胶带下山原支护方式采用粗料石砌碹支护，但由于3条巷道所预留的护巷煤柱相对较小，加之受到井下多次回采复杂应力影响，巷道顶底板和两帮存在明显的相对移近，导致原有砌碹支护体受挤压而发生破损，无法对正常生产作业提供安全防护。因此，针对其开展巷道加固技术优化研究，对于确保井下回采作业安全意义重大。象均严重威胁了正常生产安全的开展。而简单的挑顶、刷帮、挖底作业无法对巷道进行有效维护，必须采取更加合理、有效的支护方式来进行巷道加固[1]。2巷道围岩变形破坏原因

1工程背景

A矿现阶段主采煤层为3#煤层，埋深均值320m，厚度均值6.3m，煤层倾角5毅，为典型的近水平煤层。图1所示即为各巷道布设示意图。工作面推进方向

16m18m30m

图1各巷道布设示意图

3条下山巷道原设计中均选用宽500mm的粗料石进行砌碹支护，但因预留煤柱较小和周边回采多次扰动应力的影响，使得围岩存在较为严重的变形破坏，主要表现在：碹体发生挤压破碎，巷道底鼓现象突出，顶板大片料石悬顶，断面收缩率超过50%等。这些现收稿日期：2019-04-11

作者简介：董思嘉，1987年生，男，山西高平人，2016年毕业于太原理工大学采矿工程专业，助理工程师。

a)巷道群群间应力影响。完成各下山巷道的掘进后，围岩应力发生重新分布，而由于相邻下山巷道间煤柱留设宽度较小，导致巷道围岩受到集中应力的叠加作用，从而产生较大变形；b)采动对下山围岩变形影响。受相连矿井井下回采作业所产生的超前支撑压力的影响，使得下山巷道围岩塑性区范围大幅增加。而在该矿作业面回采时，材料下山至停采线煤柱，再次处于超前支撑压力影响区域，使得围岩应力出现再次重新分布，引起了其塑性区范围的进一步增加。所以，采动影响是导致下山巷道围岩损坏的主要原因之一；c)下山围岩稳定性低。下山巷道顶板为厚度2.6m的黑灰色粉砂岩，极易垮落，管理难度较大；底板为厚度2.2m的灰色泥岩，受集中应力影响极易出现底鼓，特别是在经历多次挑顶、刷帮和挖底等巷道维修作业后，围岩破碎性进一步增强，维护难度进一步增大；d)现有砌碹支护无法对围岩变形进行有效控制。导致碹体变形破坏的原因主要有以下几点：(a)砌碹支护体属于刚性被动支护体，可塑性较差，无法适应多次采动影响巷道；(b)碹体同周边围岩间存在数量众多的不均匀空隙，这会引起巷道拱形截面内生成大量剪切应力，从而诱发碹体破坏；(c)支护形式相对单一，碹体支护强度有限[2-4]。3

3.1注浆加固

注浆加固相关参数结合井下实际条件和不同注浆材料力学特性，确定·8·

2019年第6期董思嘉：复杂应力下的巷道加固技术2019年6月

选用ZKD高水速凝材料。注浆参数主要包括：水灰比、注浆压力、注浆量、充填孔和注浆孔布设等。a)水灰比。结合井下试验结果，综合考虑施工作业条件，确定充填浆液水灰比为1.8颐1，注浆浆液水灰比1.5颐1；b)注浆压力。针对3条下山围岩，采取先充填后注浆的加固方式。作业时先通过充填将较大的裂隙空间注满，注浆压力为0MPa；完成充填后进行注浆作业，注浆压力以不破坏围岩和碹体为宜，压力应维持在1.5～2.5MPa；c)注浆量。单个Q=A注浆孔注浆H仔R茁姿，量按照式(1)进行预估(1)：2式(1)中，Q为单孔注浆量，m3；A为浆液消耗系数，取值1.2～1.5；H为注浆段长度，m；R为浆液扩散半径，m；茁为围岩裂隙率，取值1%～6%；姿为浆液充填系数，取值0.5～1；d)充填孔与注浆孔布设。结合以往注浆作业实践经验，以材料下山为例，充填孔布设如图2所示。首次充填时每间隔5m布设1排充填孔，每排布设充填孔2个，单个孔径42mm，处于空顶区域时由铝塑管送至顶板；非空顶地段，充填孔布设深度5m，同垂直方向呈30毅角。二次补充充填时，将充填孔布设于原排距中间顶板中心处，间隔同样5m。单位：mm

D42mm充填孔

30毅

粗料石碹墙基500

3600

500

D.钻孔直径。

图2

充填孔布设示意图

注浆孔布设示意图如图3所示，间隔2m布设1排，每排6个注浆孔，其中顶板注浆孔同垂直方向夹角45毅；巷帮注浆孔间隔为1000mm，孔深2400mm，直径42mm。3.2充填注浆工艺分析a)浆液制造。高水速凝材料分为A料和B料，两者按照1颐1的比例混合使用，由于两者混合后15耀20min便会凝固，需要在运输和存储时单独放置，避免混合。使用时充填按照水灰比1.8颐1混合，1次搅拌用料8袋，加水720kg；注浆按照水灰比1.5颐1混合，1次搅拌用料8袋，加水600kg；b)封孔。采用在铝塑管外缠麻或缠布的方式进行充填封孔；采用布袋封孔的方式进行注浆封孔，封孔长度为200mm；c)充填注浆。完成封孔后采取自下而上的方式进行充填，充填作业必须连续进行，避免浆液凝固而堵塞充填管。封孔结束后采用自帮部向顶板的方式进行注浆；d)清洗。每班完成充填与注浆作业后应立即对注浆泵和注浆管理进行及时清洗，直至管路末端出现清水为止[5]。单位：mm

D42mm注浆孔

粗料石碹2400

墙基500

34600600

500

图3注浆孔布设示意图

4锚杆索支护

锚杆索支护与注浆加固均是岩体工程支护的基本形式。针对受多次采动复杂应力影响的巷道，由于其围岩内部裂隙节理发育充分，单一的注浆加固无法有效彻底改变围岩松散状态，仍需配套使用锚杆索支护工艺，以确保围岩稳定性的最大程度提升[6]。有鉴于此，采取“注浆加固+锚杆索支护”的综合支护工艺。同样以材料下山为例，巷帮帮部锚杆与顶板锚杆均选用长2400mm、直径20mm的高强度左旋螺纹钢锚杆，其中顶板锚杆布设排间距为931mm伊800mm，每排布设锚杆5根；帮部锚杆布设排间距为800mm×800mm，两帮各布设2根。锚索选用长度7300mm、直径17.8mm的钢绞丝锚索，布设于巷道中轴线两侧30毅处，布设排距为2400mm，按照每布设3排锚杆打1排锚索的方式进行支护作业。5结语

巷道围岩的稳定性是确保井下生产作业持续安全开展的必要前提。随着井下回采深度的不断增加，巷道围岩所处的应力环境越发复杂，确保复杂应力下的巷道稳定，对于生产持续开展意义重大。因此，矿井管理者必须高度重视相关问题，在生产实际中组织专业技术人员，立足实际开展针对性探究，总结具有良好适用性的巷道加固技术，为矿井综合效益的有效获得提供坚实保障。（下转12页）

·9·

2019年第6期2019年6月

式(7)～(10)中，H冒落带为冒落带高度，m；m为采高，m。表1为顶板长度及单轴抗压强度表。依据上述分析对所研究矿井顶底板强度进行分类，其结果如表2所示。根据表2的岩石强度等级可知，覆岩强度为强度低和中等强度。表1顶板长度及单轴抗压强度表

顶板类别

12长度/m4.85耀7.960耀4.85单轴抗压强度/MPa

42.7995.1454.3654.39单轴抗压强度/MPa

112耀22556耀11228耀56约28跃225共布置11个钻孔，孔深大于7.5m，每个钻孔内布设应力计，并对钻孔编号，应力计自两巷依次间隔10m、4.2m、7.3m、6.2m、4.7m、4.7m、4.7m、3.2m、4m、4.2m、6.0m、6.0m。统计监测点所得结果，得到如图4所示的应力分布规律图。由图4可以看到，应力分布呈“马鞍形”。该段煤柱属于应力稳定型煤柱，煤柱应力最大值位于巷道21.5m处，应力峰值为17.57MPa。20151050

1

2

3

4

567应力计编号

8

9

10

11

3412.32耀16.087.96耀12.32表2岩石的强度等级

级别21强度极高中等强度强度极低强度低强度高状态

543图4应力分布规律图

综上，计算得到该矿大采高工作面区段煤柱的合理理论尺寸为16～39m。2.3大采高工作面煤柱稳定性监测为了分析确定煤柱的合理性，在实际生产过程中对护巷煤柱的稳定性进行了实际监测，通过监测煤柱的侧向支承压力分布规律，间接研究护巷煤柱的留设方式及煤柱的合理尺寸，所以通过实际监测应力分布可以直接反映煤柱的稳定性，进而得出煤柱的尺寸是否合理。使用应力计观测该矿大采高综采面在回采期间的侧向支承压力分布情况，侧向支承压力的实测区域位于两巷之间的煤柱区，应力计布设示意图如图3所示。单位：mm

通过分析监测结果可知，煤柱内的应力受采动影响较大，采动影响范围约为75m，而超前支撑压力的最大值与煤壁的距离在12～29m之间，同时可以得到应力集中系数最大可达1.82。以上内容说明计算得到的煤柱尺寸较合理，煤柱在工作面开采过程中处于稳定状态，对确保巷道稳定性起到了至关重要的作用。3结语

通过对护巷煤柱载荷分布特征及影响因素进行分析，得到了护巷煤柱尺寸的最优计算公式。根据实际情况确定了山西A煤矿大采高工作面护巷煤柱的宽度，其最优宽度为16～39m。为了验证煤柱的尺寸是否合理，对两工作面之间的煤柱应力进行实际监测，结果证明煤柱的稳定性较好。参考文献：［1］刘洋.长壁留煤柱支撑法开采煤柱优化设计及破坏的可监测

性研究［D］.陕西：西安科技大学，2005.［2］卢兴利，尤春安，孙锋，等.断层保护煤柱合理留设的数值模拟

1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#60006000420040003200470047004700620073004200100001#耀11#.钻孔编号。

图3应力计布设示意图

［4］张克伟，李恩忠.深部缓倾斜煤层护巷煤柱合理宽度研究［J］.

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（责任编辑：刘晓芳）

（上接9页）

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［4］韩熠梁.浅析深井复杂应力状态下巷道加固技术［J］.山东工

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（责任编辑：高志凤）

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