柏新宇

（潞安化工集團(tuán)常村煤礦，山西 長治 046102）

1 陷落柱影響區(qū)域巷道概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造情況

根據(jù)三維地震勘探及超前鉆探結(jié)論，常村煤礦2311 皮順掘進(jìn)過程中將揭露X63 陷落柱，長軸約為40.6 m，短軸約15.2 m。該陷落柱不導(dǎo)水，在巷道中揭露長度為19.3 m，延伸至工作面內(nèi)部距離為17.4 m。鉆孔窺視結(jié)果顯示，2311 皮順陷落柱區(qū)域巷幫1.0 m 以外、頂板1.3～13.6 m 處裂隙發(fā)育，存在明顯離層和破碎帶，急需采取加固支護(hù)措施。

1.2 陷落柱影響區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律

依據(jù)彈塑性理論，將陷落柱周圍圍巖劃分為破壞區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。巷道掘進(jìn)過程中一旦經(jīng)過破壞區(qū)及塑性區(qū)，必須提前對該區(qū)域巷道圍巖進(jìn)行加固。通過彈塑性理論可以計算出各個分區(qū)的半徑范圍及應(yīng)力分布形態(tài)[1]，為注漿加固提供理論支撐依據(jù)，見公式（1）～（5）。

由彈性力學(xué)可得陷落柱圍巖的切向應(yīng)力為：

徑向應(yīng)力可表示為：

陷落柱的塑性區(qū)半徑可表示為：

水平應(yīng)力與埋深、垂直應(yīng)力之間的關(guān)系可表示為：

將公式（2）代入（1）中得切向應(yīng)力為：

式中：σ切為切向應(yīng)力；σ徑為徑向應(yīng)力；r為陷落柱半徑；R為塑性區(qū)半徑；P0為水平應(yīng)力；q=2cε0.5。

2311 工作面埋深約為450 m，計算出P0/σz=1.5，σz=11.25 MPa，則P0=16.88 MPa。c=3 MPa，φ=25°，ε=2.45。

通過計算得出2311 工作面X63 陷落柱塑性區(qū)域半徑為30.45 m，應(yīng)力增高區(qū)半徑為79 m。

2 陷落柱區(qū)域巷道深部雙殼加固方案

2.1 巷道雙殼加固總體思路

常村煤礦計劃對X63 陷落柱影響巷道采用常規(guī)錨網(wǎng)+工字鋼棚聯(lián)合支護(hù)，針對重點(diǎn)影響區(qū)域配合采取注漿加固的支護(hù)思路。設(shè)計深、淺孔注漿加固[2]，淺部實施低壓注漿，深部實施高壓注漿，使巷道在陷落柱影響區(qū)域內(nèi)形成兩層殼體的保護(hù)結(jié)構(gòu)，保證巷道圍巖的穩(wěn)定。

2.2 巷道雙殼加固設(shè)計方案

（1）巷道加固范圍

2311 皮順超前注漿加固區(qū)域主要為陷落柱影響區(qū)域，通過現(xiàn)場圍巖結(jié)構(gòu)窺視，陷落柱影響范圍為：沿巷道軸向方向皮順揭露陷落柱長度為26 m，考慮圍巖的穩(wěn)定性，設(shè)計沿巷道軸向方向加固范圍為陷落柱兩端各多加固5 m，合計巷道加固長度為36 m。巷道縱向上的加固范圍，根據(jù)理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果，綜合分析加固范圍確定為20 m，如圖1。

圖1 陷落柱加固范圍（m）

（2）注漿鉆孔參數(shù)設(shè)計

淺部注漿孔布置：頂板每排布置3 個注漿孔，巷道中間布置1 個孔，分別向兩側(cè)2 m 布置2 個注漿孔，排距為2 m；兩幫每排布置3 個注漿孔，其中最下1 排距離巷道底板0.15 m，中間1 排與上下注漿孔間距1.5 m；注漿孔深度均為2 m。封孔采用棉絲蘸水玻璃的方法。

深部注漿孔布置：頂板深孔按三花布置，即2-1-2-1 的形式布置，頂板孔深10 m，每排2 個鉆孔的間距為3 m，每排為1 個鉆孔的布置在頂板中間，鉆孔排距為1.5 m；兩幫鉆孔按三花進(jìn)行布置，每排2 個鉆孔的間距為2 m，其中下部鉆孔距離底板1 m，每排為1 個鉆孔的布置在距離巷道底板2 m 以上的位置，鉆孔排距為1.5 m，兩幫鉆孔深度為20 m 和15 m。封孔位置：注漿段孔內(nèi)下射漿管，采用封孔器封孔，封孔器距孔口3 m 左右。巷道橫斷面內(nèi)注漿鉆孔布置如圖2。

圖2 巷道橫斷面內(nèi)注漿鉆孔布置情況（m）

（3）注漿技術(shù)參數(shù)設(shè)計

注漿壓力：淺部注漿壓力控制在2～3 MPa 范圍內(nèi)，煤墻出現(xiàn)返漿后立即停止注漿；深部注漿壓力設(shè)計為10 MPa。

注漿材料：水泥+添加劑。水泥使用425#普通硅酸鹽水泥，添加劑采用“天地堵水103”改性而成。其中添加劑為水泥改性液，可提高水泥的凝結(jié)速度與煤巖體的粘結(jié)強(qiáng)度等。水灰比：水泥漿的水灰比0.6:1～0.8:1（根據(jù)現(xiàn)場注漿情況可小范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整）。水玻璃：濃度38～42 °Bé，模數(shù)M=2.8～3.2。水玻璃為水泥重量的2%～4%。水泥漿粘結(jié)改性液的用量為水泥重量的10%～20%。

3 加固方案應(yīng)用效果

3.1 現(xiàn)場施工情況概述

2311 工作面皮順陷落柱影響區(qū)域巷道采用設(shè)計的雙殼加固方案進(jìn)行了試驗，共計試驗36 m。根據(jù)注漿孔的布置，共施工13 排注漿孔，每排兩幫及頂板共布置9 個注漿孔，其中包括3 個10 m 深鉆孔、4 個15 m 深鉆孔、2 個20 m 深鉆孔，累計施工117個孔，孔深1690 m，使用水泥65 t 以及6 t 添加劑。

3.2 礦壓監(jiān)測分析

3.2.1 巷道圍巖變形規(guī)律分析

圖3 為陷落柱影響區(qū)域巷道頂、底板巖層運(yùn)動曲線圖，可以直觀地反映出巷道圍巖表面變形具有一定的分段特征。將巷道圍巖變形隨時間的推移劃分為五個階段，其中第一階段（0～15 d）—劇烈變形階段，該階段巷道圍巖變形較大，兩幫變形量為30 mm，頂板下沉量60 mm，底板底鼓量85 mm，巷道兩幫、頂板、底板變形速率分別為2 mm/d、4 mm/d、5.7 mm/d；第二階段（16～27 d）—緩慢變形階段，該階段巷道圍巖變形呈現(xiàn)緩慢遞增趨勢，巷道兩幫累計變形量為45 mm，頂板下沉量85 mm，底板底鼓量100 mm，巷道兩幫、頂板、底板變形速率分別為1.3 mm/d、3.3 mm/d、1.3 mm/d；第三階段（28～32 d）—跳躍式增長階段，該階段巷道圍巖短時間內(nèi)發(fā)生了全斷面的整體收縮現(xiàn)象，巷道兩幫累計變形量85 mm，頂板下沉量累計155 mm，底鼓量累計為160 mm，巷道兩幫、頂板、底板變形速率分別為8 mm/d、14 mm/d、12 mm/d；第四階段（33～63 d）—再次緩慢變形階段，該階段巷道圍巖再次呈現(xiàn)緩慢變形現(xiàn)象，巷道兩幫累計變形量為115 mm，頂板下沉量累計為230 mm，底鼓量累計為250 mm，巷道兩幫、頂板、底板變形速率分別為0.9 mm/d、2.4 mm/d、2.9 mm/d；第五階段（64 d 以后）—穩(wěn)定階段，該階段巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，最終巷道兩幫累計變形量為115 mm，頂板下沉量為231 mm，底鼓量為255 mm。

圖3 陷落柱影響區(qū)域巷道圍巖表面變形曲線

結(jié)合連續(xù)80 d 的數(shù)據(jù)情況分析，陷落柱影響區(qū)域巷道圍巖變形量不大，在可控范圍內(nèi)，說明采用雙殼加固方案可有效控制巷道圍巖穩(wěn)定。

3.2.2 巷道錨桿錨索受力分析

（1）錨索受力分析

從圖4 測站錨索受力曲線圖可以看出，頂板錨索設(shè)置的初始預(yù)緊力為168.94 kN，幫錨索預(yù)緊力較小分別為68.85 kN 和102.05 kN，頂板巖層相對于煤幫的強(qiáng)度要高；錨索安裝初期（15 d 內(nèi)）受力波動較大，尤其是幫錨索出現(xiàn)上下波動現(xiàn)象比較頻繁，說明幫部支護(hù)受巷道開挖后的應(yīng)力重新分布影響較大；15～50 d 錨索受力呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，頂板錨索受力增加了98.15 kN，幫錨索受力各增加了9.76 kN 和17.59 kN，頂板錨索承載的拉力遠(yuǎn)大于幫錨索的拉力；50 d 以后錨索受力基本趨于穩(wěn)定。

圖4 測站錨索受力曲線

（2）錨桿受力分析

圖5 為測站錨桿受力曲線。由圖可知，頂板錨桿設(shè)置的初始預(yù)緊力為80.57 kN，幫錨索預(yù)緊力較小分別為8.3 kN 和4.39 kN，頂板巖層相對于煤幫的強(qiáng)度要高；頂板錨桿安裝3 d 內(nèi)受力變化不大，第4天錨桿受力增加4 kN，出現(xiàn)了拉力較大的增加，隨后頂錨桿受力基本呈現(xiàn)緩慢下降，在58 d 后穩(wěn)定在82.03 kN；兩幫錨桿受力在41 d 以內(nèi)變化相對不大，42 d 下幫錨桿受力迅速增到42.48 kN，上幫錨桿受力突增到66.89 kN；以后幫錨桿基本上呈緩慢增加，且增加幅度較小，并最終穩(wěn)定在42.97 kN 和68.36 kN。

圖5 測站錨桿受力曲線

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場深淺部注漿加固方案的試驗實施，配合礦壓監(jiān)測進(jìn)一步驗證了雙殼加固方案的合理性，能有效改善圍巖的自承載性能，提高了圍巖的自穩(wěn)性，可在常村煤礦推廣此方案現(xiàn)場應(yīng)用，保障巷道安全、順利通過陷落柱等破碎區(qū)。同時，陷落柱影響區(qū)域巷道經(jīng)過雙殼加固后，通過現(xiàn)場礦壓監(jiān)測分析，常村煤礦巷道圍巖變形在60 d 以后總體上趨于穩(wěn)定。