張津裕

（南煤集團南莊分公司， 山西 陽泉 045000）

引言

目前，關于煤礦工作面巷道支護方面的研究非常多[1-2]。但是關于出現(xiàn)突水涌水后的支護補強相關技術卻鮮有資料可查[3-4]。因此，為了提升突水涌水防治效果，確保煤礦工作面的安全，有必要對工作面巷道出現(xiàn)突水涌水后的支護補強技術進行分析和研究[5-6]。本文對某煤礦掘進工作面巷道支護方案存在的缺陷導致的突水問題進行了研究，在原有巷道支護方案的基礎上對其進行補強處理，為煤礦安全提供了堅實的保障。

1 煤礦工作面及原巷道支護方案介紹

1.1 煤礦工作面簡介

某煤礦煤層的埋深在290～324 m 范圍內(nèi)，平均埋深為300 m 左右。掘進工作面厚度范圍為2.34～3.89 m，平均煤層厚度為3.21 m，整個煤層傾角不超過1°。掘進工作面巷道斷面形狀為矩形，其寬度和高度分別為5 m 和3.5 m，整個掘進巷道的斷面面積為17.5 m2。巷道圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角分為2 MPa 和4°。

1.2 原巷道支護方案

原掘進工作面巷道支護采用的是錨桿支護方案。其中頂板采用的錨桿為左旋螺紋鋼錨桿，直徑和長度分別為20 mm 和2.2 m，錨桿之間的間距以及排距均為0.8 m，與兩側(cè)幫部位置接近的錨桿與巷道中垂線成20°角進行安裝。開采幫采用的錨桿為玻璃鋼錨桿，錨桿規(guī)格以及間距、排距與頂板完全相同，配合使用樹脂網(wǎng)。對于非開采幫，錨桿采用的是螺紋鋼錨桿，其直徑和長度分別為20 mm 和2.2 m。兩幫靠近頂板的錨桿同垂線成20°角進行安裝，靠近底板的錨桿與水平線成10°角進行安裝。其他頂板和兩幫的錨桿全部進行垂直安裝。使用鋼絲網(wǎng)片，使用的錨索規(guī)格尺寸為直徑15.3 mm，長度7.3 m。

2 煤礦突水后巷道支護補強方案的設計

2.1 補強支護方案的設計

原巷道支護方案由于不滿足實際使用需要，導致工作面巷道出現(xiàn)了突水問題。必須對煤礦巷道支護進行補強處理，避免突水對工作面巷道掘進過程造成不利影響，影響采煤效率。基于已有的理論成果以及工程實踐經(jīng)驗，重新設計研究了補強巷道支護方案。如圖1 所示為優(yōu)化后的掘進工作面巷道支護斷面圖。需要說明的是，圖中黑色部分為原支護方案，灰色部分為補強支護。

圖1 優(yōu)化后的掘進工作面巷道支護斷面圖（單位：mm）

在原有支護方案的基礎上，在頂板每排多增加設置2 根錨桿，錨桿使用的是左旋螺紋鋼錨桿，直徑和長度分別為20 mm 和2.4 m。增加設置的錨桿間距和排距分別為3 m 和1 m，安裝時施加50 kN 的預緊力。兩幫部位同樣每排增加設置2 根錨桿，直徑和長度分別為20 mm 和2.4 m，錨桿間距和排距分別為2 m和1 m，安裝時施加20 kN 的預緊力。在巷道中線位置增加設置1 根錨索，錨索為鋼絞繩，直徑和長度分別為15.24 mm 和7.6 m，錨固長度1.8 m。沿著巷道方向，增加設置的錨索排距為3 m，安裝時施加120 kN 的預緊力。

2.2 補強支護效果模擬分析

為了驗證本文設計的補強支護方案的實際效果，利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對該方案進行了模擬分析。另外，為了與原巷道支護方案進行對比，同時模擬分析了原巷道支護方案的情況。利用軟件建立好有限元模型后進行計算分析，然后對模擬結(jié)果進行提取。主要研究對比在2 種巷道支護方案作用下，巷道圍巖在垂直方向和水平方向上的位移變形情況。如圖2 所示為補強支護方案圍巖在水平和垂直方向上的變形情況。

圖2 補強支護方案圍巖在水平和垂直方向上的變形（m）情況

從圖2 中可以看出，在巷道補強支護方案作用下，圍巖在水平方向上的變形最大值為4.15 mm，而原支護方案對應的數(shù)值為5.36 mm。對比兩種情況可以發(fā)現(xiàn)，補強支護方案能夠更好地控制圍巖在水平方向上的變形。在垂直方向上，在巷道補強支護方案的作用下，巷道變形最大值為17.73 mm，而原支護方案對應的數(shù)值為19.92 mm。補強支護方案同樣能在一定程度上縮小圍巖在垂直方向的變形。

基于上述的有限元模擬分析結(jié)果可以看出，對掘進工作面巷道原支護方案進行補強處理后，巷道圍巖的變形情況得到了一定程度改善。說明提出的補強支護方案是合理的，能夠應用到實際中，以提升掘進工作面巷道的安全性。

3 補強設計中巷道錨桿注漿加固技術分析

掘進工作面圍巖出現(xiàn)突水問題，說明圍巖內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了一定程度的破壞，裂隙發(fā)育充分使圍巖強度顯著降低，巷道穩(wěn)定性受到嚴重威脅。因此，有必要采取錨注加固技術措施對巷道圍巖進行加固處理，以提升巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3.1 錨桿注漿加固作用原理分析

當巷道圍巖結(jié)構比較松散破碎時，錨桿和錨索受力將會呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，在一定程度上影響錨桿和錨索性能的發(fā)揮。通過錨柱加固技術能夠有效改善圍巖松散結(jié)構特征，提升其整體的凝聚力和強度。錨注加固技術的強化原理可以從下述的幾個方面進行闡述：

第一，當巷道圍巖結(jié)構面發(fā)育較完全時，結(jié)構面會影響圍巖強度及其變形情況。結(jié)構面剛度和強度一般很低，特別容易發(fā)生相對滑動的問題，使得圍巖整體結(jié)構顯著降低，導致巷道出現(xiàn)變形問題。通過錨固注漿處理能夠顯著提升結(jié)構面的強度，避免出現(xiàn)相互錯位問題，進而提升巷道穩(wěn)定性。

第二，進行錨注加固施工時，需要利用泵將漿液注入到巷道圍巖內(nèi)部。漿液在泵的壓力作用下，會沿著巷道圍巖的縫隙進行滲透，達到提升圍巖強度的效果。此外，對于一些無法充填的縫隙，也能夠進行擠壓閉合，這樣能夠降低圍巖的孔隙率，有效阻擋水的滲透。同時還能夠改善圍巖的應力分布狀態(tài)，提升強度。

第三，對于已經(jīng)出現(xiàn)突水或涌水的巷道圍巖，通過錨桿注漿加固技術，能夠?qū)ν凰陀克耐ǖ肋M行封堵，避免再次出現(xiàn)突水涌水問題。

3.2 錨桿注漿加固主要技術參數(shù)的確定

1）注漿壓力。注漿壓力是開展錨桿注漿加固施工的重要參數(shù)，會對施工效果產(chǎn)生決定性影響。影響施工注漿壓力選擇的因素是多方面的，其中最重要的因素就是圍巖性質(zhì)。充分結(jié)合圍巖實際情況，本方案中最終確定的注漿壓力范圍為2～2.5 MPa。

2）擴散半徑。擴散半徑指的是從注漿孔注入的漿液能夠擴散的距離。擴散半徑對施工效果同樣有非常重要的影響。注漿孔數(shù)量通常是根據(jù)擴散半徑大小進行選擇的。對于一般性質(zhì)的圍巖其擴散半徑通常為2～3 m。

3）凝固時間。凝固時間與漿液自身屬性存在直接關系?？梢韵驖{液中添加化學試劑以改變漿液凝固時間。在實際應用中，漿液凝固時間還會受到周圍環(huán)境因素的影響，比如溫度的影響。因此，具體凝固時間需要充分結(jié)合現(xiàn)場實際情況來確定，通常都是在幾小時左右。

4 巷道支護補強實踐效果分析

對已經(jīng)出現(xiàn)突水問題的掘進工作面巷道，在原支護方案的基礎上進行補強處理。主要從兩方面著手開展補強工作。第一，增加設置錨桿和錨索，提升巷道錨固支護效果。第二，進行錨桿注漿加固處理，向圍巖內(nèi)部注入漿液，提升圍巖自身強度，同時對突水縫隙進行封堵，避免再次出現(xiàn)突水問題。將上述掘進工作面巷道支護補強方案應用到工程實踐中，取得了非常好的應用效果。巷道變形量得到很大程度降低，且在后續(xù)掘進施工過程中沒有再出現(xiàn)巷道突水問題。通過對巷道支護方案進行補強處理，顯著提升了支護效果，保障了圍巖的穩(wěn)定性。為采煤工作效率的提升奠定了堅實的基礎。