大尺寸矩形巷道过陷落柱带联合支护方案的优化.pdf

552023 年第 9 期鄯梦涛：大尺寸矩形巷道过陷落柱带联合支护方案的优化大尺寸矩形巷道过陷落柱带联合支护方案的优化鄯梦涛（阳泉市上社二景煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045100）摘 要 阳泉市上社二景煤矿巷道在过陷落柱区巷道围岩稳定性较差、支护效率低。在对围岩破坏原因进行分析的基础上，提出了“超前浅部钻孔注浆+深部柔性管注浆+锚索网支护”的联合支护工艺，并利用仿真分析的方法确定了最佳支护参数。实际应用表明，优化措施后在过陷落柱区域顶板位移量降低 72.8%，两帮位移量降低 73.1%，支护稳定性好。关键词 矩形；巷道；陷落柱；注浆中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.018Optimization of Combined Support Scheme for Large Size Rectangular Roadway Passing Through Collapsed Column ZoneShan Mengtao(Yangquan City Shangshe Erjing Coal Co.,Ltd.,Shanxi Yangquan 045100)Abstract:The roadway surrounding rock stability of the roadway passing through the collapse column area in Erjing Coal Mine,Shangshe,Yangquan City is poor,and the support efficiency is low.On the basis of analyzing the causes of surrounding rock failure,a combined support technology of advanced shallow drilling grouting+deep flexible pipe grouting+anchor cable mesh support is proposed,and the optimal support parameters are determined using simulation analysis method.The practical application shows that after the optimization measures,the displacement amount of the roof in the area passing through the collapsed column is reduced by 72.8%,and the displacement amount of the two sides is reduced by 73.1%,indicating good support stability.Key words:rectangle;roadway;collapse column;grouting收稿日期 2023-02-13作者简介 鄯梦涛（1979），男，山西阳泉人，2021 年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，矿山通风与安全工程师，本科，研究方向为采矿专业。鄯梦涛：大尺寸矩形巷道过陷落柱带联合支护方案的优化阳泉市上社二景煤矿五盘区第二回风巷为 5800 mm4000 mm 矩形断面煤巷，属于典型的大尺寸断面巷道结构。该回风巷的直接顶是泥岩，平均厚度为 800 mm，基本顶为 6580 mm 厚的细砂岩；直接底是厚度为 1000 mm 的泥岩；基本底是厚度为2400 mm 的粉砂岩。根据三维地震勘探资料，在距离回风巷约 90 m 的位置有 DX14 陷落柱，长轴位置最长为 60 m，短轴位置最长为 40 m，陷落柱为下面小、上面大的“陀螺状”。巷道接近该区域时，经常出现片帮、冒顶、围岩变形的问题。目前主要是通过补打锚杆、增加支护单体等方式来加强过陷落柱区域的巷道围岩结构，但效果并不明显。本文以五盘区第二回风巷过陷落柱区域为研究对象，提出了“超前浅部钻孔注浆+深部柔性管注浆+锚索网支护”的联合支护工艺，提升了巷道围岩的稳定性。1 陷落柱区域地质结构分析为了提高陷落柱区域地质结构分析的准确性，利用应力解除法对陷落柱区域进行地应力测试，其最大垂直应力为 14.1 MPa，最大水平应力为 13.3 MPa。陷落柱本身在不同方向上会出现不同的应力分布情况，而且分布有很多裂隙、节理，在陷落柱内部会形成一个相互贯通且又应力集中的柱状结构。陷落柱内部的应力分布模型如图 11。图 1 陷落柱内部应力分布示意图562023 年第 9 期基于陷落柱断裂力学，陷落柱构造区域围岩破坏所需的力可表示为2：()tan0 5tancosh CH.hFk+=（1）式中：h 为陷落柱高度，取 44 m；C 为陷落柱四周围岩的内聚力，取 15.5 MPa；为陷落柱上侧岩层的容重，取 16.4 N/m3；H 为陷落柱上侧岩层的厚度，取 19.6 m；为围岩内摩擦角，取 15；d为陷落柱上的裂纹长度，取70 m；为陷落柱夹角，取 75；k 为岩层的断裂韧度，取 23 MPa。根据断裂理论，此时陷落柱构造区域围岩破坏所需的力约为 F=54.97 Pa 1，因此陷落柱区域的围岩会被破坏掉。根据式（1）分析：1）围岩破坏所需的力和陷落柱上的裂纹长度 d呈正相关，裂纹长度越大，巷道围岩越容易被破坏；2）围岩破坏所需的力和岩层的断裂韧度呈反比，韧度越差其越容易遭到破坏；3）陷落柱围岩的变形还和作业区域内上顶板岩层厚度、陷落柱覆岩层平均容重等有关。结合陷落柱应力厚筒壁四区理论，当巷道挖掘到陷落柱区域后集中应力会向四周的围岩释放，导致巷道围岩塑性破坏，从而更迅速地使围岩应力快速释放。巷道的超前应力会跟随着巷道的掘进慢慢向着陷落柱方向转移，使塑性破坏区域内的应力变差，加速了围岩的蠕变，使围岩的变形表现出极强的流动性，导致了围岩的二次破坏。因此，对过陷落柱区域的改善应增加围岩的应力强度，减少围岩自身的裂隙，提高其在应力作用下的稳定性和可靠性，防止变形失稳。2 过陷落柱支护方案导致陷落柱区域围岩稳定性差的主要原因是围岩强度低、应力集中。因此根据新奥法支护理论，结合井下的实际情况把注浆加固和井下现有的锚网索支护体系相结合，确定采用“超前浅部钻孔注浆+深部柔性管注浆+锚索网支护”的联合支护工艺。2.1 超前预注浆加固注浆加固的目的是提高巷道围岩的结构强度，巷道围岩结构强度的提升一方面是要将外侧破碎围岩进行加固，使其凝结为一个完整的结构，通过人为处理的方式增加围岩的应力强度和断裂韧度，减少围岩的裂隙长度和裂隙数量；另一方面是要增加顶板岩层厚度及陷落柱覆岩层平均容重，可以通过将浅部围岩和深部围岩进行连接，提高围岩的残余强度，减少陷落柱内部的应力差。因此，提出了超前预注浆加固，采用了超前浅孔注浆+深部柔性管注浆联合作业模式3。1）注浆料和柔性注浆管的选择。通过地质勘探分析，陷落柱区域内没有明显的渗水、涌水情况，说明该区域非积水区域，且岩壁内并没有形成贯通的裂缝，因此选择了流动性较好的联邦双液注浆料。根据在井下的实际灌注测试，结合流动性和凝固时间，确定注浆料的水灰比=0.8:1。柔性注浆管则采用一次性的钢丝骨架柔性管。2）注浆压力选择。巷道标高为+347+488 m，可计算出此区域内的最低注浆压力需要 8 MPa，但结合注浆过程中的黏度、注浆距离的变化，最终确认注浆压力为 1013 MPa。3）注浆范围选择。根据井下的地质勘探及弹塑性力学塑性区边界的径向应力情况4，可以计算出陷落柱区域的塑性边界半径为 20 m，井下陷落柱的半径实测为 17.7 m，其塑性区的半径为 7.2 m。因此，为了保证对围岩加固的可靠性，注浆范围需要大于 2（20 m+17.7 m+7.2 m）=89.8 m。故最终选择的注浆范围为 90 m。4）钻孔深度及注浆方案选择。钻孔深度主要结合井下地质勘探情况，其浅孔钻进的深度要大于区域内围岩表层的破碎深度5，取 10 m。深孔钻进的深度要能够将浅部岩层和深部岩层连接起来，取21 m。为了满足大深度、长距离的注浆需求，在注浆方案选择上，选择了循环注浆的模式。煤矿井下注浆加固钻孔布置结构如图 2。图2 超前浅孔注浆+深部柔性管注浆钻孔布置结构（mm）2.2 锚网索支护陷落柱区域内巷道围岩在应力和作业扰动的作用下位移量极大，巷道围岩很难保持稳定，需要通572023 年第 9 期鄯梦涛：大尺寸矩形巷道过陷落柱带联合支护方案的优化过锚杆和锚索的锚固作用6，提高对围岩的支护阻力，降低围岩的变形，提高巷道的稳定性。在锚网索支护时最大限度地利用现有的支护结构，减少井下作业量。锚网索整体支护结构如图 3。图 3 井下巷道锚网索支护结构示意图（mm）如图 3 所示，在巷道顶板上每排设置 5 个单体锚索，所使用的锚索的规格为 22 mm6300 mm，各个锚索的间距为 1.2 m，锚索间的排距为 1 m。顶角锚索距离巷帮约 0.5 m 的距离，锚索与巷道顶板相垂直，设置规格为 100 mm100 mm 的钢筋网。3 工程应用根据所制定的井下超前注浆及支护方案，在第二回风巷进入陷落柱前 10 m 处开始进行超前注浆并进行锚网索支护。施工完成后，利用十字布点法7对巷道围岩变形情况进行监测，沿着陷落柱方向，共计布置了4个站点，每个站点之间的距离为12 m。巷道内测量站点布置结构如图 4。图 4 井下巷道表面围岩变形监测点布置位置示意图将各测点的围岩变形情况进行汇总，将其变形量和其他支护方式下的变形量进行对比，结果如图5。由实际对比结果可知，优化后巷道顶板的最大位移量为 214 mm，比无支护情况下 787 mm 的变形量降低了 72.8%。巷道侧帮的位移量由无支护情况下的 761 mm 降低到了 205 mm，位移量降低了73.1%。（a）不同方案下顶板变形量（b）不同方案下侧帮位移量 图 5 不同方案下巷道围岩变形情况汇总结果表明，超前浅部钻孔注浆+深部柔性管注浆+锚索网支护联合支护工艺，能够显著降低大尺寸巷道在过陷落柱时巷道围岩的变形，确保了作业的稳定性和安全性。4 结论对陷落柱区域巷道围岩失稳原因进行了分析，并针对性地提出了改善方案，主要结论：1）围岩强度低、应力集中是导致过陷落柱区域围岩稳定性差的主要原因，应从提高围岩结构强度、减少应力集中方面入手制定改善方案。2）超前浅部钻孔注浆+深部柔性管注浆+锚索网支护的联合支护工艺能够将破碎围岩形成一个稳固的整体，提高其稳定性。3）新方案的应用结果表明，优化后巷道顶板变形量能够比优化前降低 72.8%，侧帮位移量能够比优化前降低 73.1%。【参考文献】1 左建平，孙运江，李楷，等.陷落柱影响区软岩巷道加固段长度及其底鼓控制研究 J.中国矿业大学学报，2017，46（01）：18-26 2 何东升，刘旦龙，张洋.复合顶板中厚煤层切顶卸压留巷无煤柱开采技术 J.煤炭科学技术，2018，46（09）：126-1323 康红普，张晓，王东攀，等.无煤柱开采围岩控制技术及应用 J.煤炭学报，2022，47（01）：16-44.4 郑立军，王文，张广杰.高应力综放工作面切顶卸压沿空留巷开采技术研究 J.河南理工大学学报(自然科学版)，2021，40（06）：43-53.5 张勃阳，白海波，张凯.陷落柱填隙物全应力-应变过程的渗流特性研究 J.采矿与安全工程学报，2016，33（04）：734-740 6 许延春，曹光明，张星宇，等.推采陷落柱工作面覆岩异常破坏规律研究 J矿业科学学报，2018，3（03）：268-2767 杨敬轩，刘长友，于斌，等.工作面端头三角区沿空巷道强矿压显现与应力转移分析 J.采矿与安全工程学报，2016，33（01）：88-95