砌碹大巷壁后充填控制技术

砌碹大巷失稳机理与控制技术研究畅兵楼1、李建兵1、徐营2（1.沁和能源集团有限公司，山西晋城，048205；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州，221116）摘要：为解决多次采动影响下砌碹巷道，围岩破碎范围广，变形大，难维护等技术难题。综合采用理论分析、数值模拟、工业性试验的方法，研究分析了端氏煤矿三条砌碹大巷在掘巷、一侧采动、两侧采动后围岩应力分布、塑性区分布及围岩变形破坏特征。提出了采用壁后充填、注浆加固与锚杆索支护相结合的联合控制技术。工程实践表明，联合控制技术可将巷道围岩变形控制在120mm以内，有效的解决了多次采动影响下砌碹大巷围岩变形大、难维护的问题，具有良好的推广应用前景。关键词：砌碹大巷；多次采动影响；联合控制技术StudyontheInstabilityMechanismandControlTechnologyoftheSurroundingRockofBrickworkRoadwayCHANGBing-lou1,LIJian-bing1,XUYing2(1.ShanxiQinheEnergyGroupCo.,Ltd.,Jincheng048205,China;2.SchoolofMiningEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)Abstract:Inordertodealwiththedifficulttechnicalproblemofwidesurroundingrockbroken，largedeformationanddifficulttosupportofthebrickworkroadway,Comprehensiveuseoftheoreticalanalysis,numericalsimulationandindustrialtestmethod,analyzesthestressdistribution,plasticzonedistributionanddeformationcharacteristicsofsurroundingrockofthethreebrickworkroadwayofDuanshicoalmine.Putforwardthewallafterfilling,groutingreinforcementandcableanchorsupportingcombinedcontroltechnique.Engineeringpracticesshowthattheroadwaysurroundingrockdeformationcanbecontrolledwithinthe120mmwithcombinedcontroltechnique,effectivelysolvetheproblemofthelargedeformationanddifficulttomaintenanceofthebrickworkroadwaywhichundertherepeatedmininginfluence,hasagoodprospectofpopularizationandapplication.Keywords:brickworkroadway;theinfluenceofmultipleminingactivities;combinedcontroltechnique;1引言砌碹支护在地下工程中应用广泛。端氏煤矿三条大巷均采用砌碹支护，采场动压影响下，围岩极易破碎变形，局部空洞段巷道，易冒顶、片帮、强烈底鼓等矿井灾害导致碹体变形失效[1­4]。日本学者对此进行了一些模拟试验，研究不同载荷状态下衬砌厚度、壁后空洞等与衬砌结构承载力之间的关系。刘海京等利用接触方法模拟砌碹壁后存在空洞时砌碹结构和围岩间的相互作用，可以模拟空洞周围接触应力存在明显的应力集中现象，证明空洞的确对围岩应力重新分布具有较大影响[5­8]。文章通过理论分析和数值模拟的方法研究了端氏煤矿砌碹巷道失稳机理，提出了采用壁后充填、注浆加固与锚杆索支护的联合控制技术，现场应用效果显著[9­10]。2工程背景基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51204167）端氏煤矿回风大巷、胶带大巷、轨道大巷布置在3#煤层中，煤层平均厚度5.15m，平均埋深300m，倾角3°～15°。直接顶为泥岩，基本顶为细粒砂岩，直接底粉砂岩，基本底泥岩。3#煤层上下均无开挖空间，三条大巷将承受左右两工作面采动影响。大巷间保护煤柱宽30m，回风大巷与采空区间保护煤柱40m，永久支护采用粗料石砌碹，半圆拱形断面，净宽4500mm，墙高1800mm，墙砌厚500mm，拱砌厚300mm。轨道大巷、胶带大巷采用半圆拱形断面，净宽4500mm，墙高1500mm，墙砌厚300mm，拱砌厚300mm。工程地质剖面如图1所示。细粒砂岩泥岩粉砂岩泥岩回风大巷胶带大巷轨道大巷3#煤采空区采空区图1工程地质剖面图3砌碹巷道失稳机理3.1大巷破坏现状大巷破坏现状如下：大巷受采动影响，围岩破碎，尤其存在壁后空洞段巷道变形严重，碹体被挤压破碎、掉渣，巷道变形严重，顶板管理困难。3.2大巷围岩变形破坏原因（1）近距离巷道群之间的掘进互扰影响大巷掘出后，破坏了原岩应力场的平衡，引起应力重新分布，巷道围岩内会出现应力集中。大巷群之间将产生集中应力叠加，围岩应力显著增大。（2）采动对大巷围岩变形的影响大巷间护巷煤柱受两侧工作面开采超前支承压力影响。煤柱尺寸决定了超前支承压力对大巷的影响程度，煤柱尺寸不合理，易导致巷道周围形成高应力场，巷道塑性区范围扩大、周边位移显著增大，影响大巷围岩的稳定。（3）砌碹支护难以控制围岩的变形破坏砌碹支护为被动支护形式，不适应多次采动影响巷道的大变形，支护体可缩性差，支护方式单一。巷道半圆拱拱顶以及拱肩部位存在壁后空洞造成支护结构自身不稳定。3.3砌碹巷道失稳机理（1）模型的建立根据巷道具体地质条件，利用数值模拟软件FLAC3D对巷道进行数值模拟。建立模型尺寸275.5m×80m×111m，上部施加9.775MPa的均布应力，侧压系数取λ=1.2。具体煤岩力学参数见表1。表1数值模拟计算模型的岩体力学参数岩性密度ρ/kg/m3体积模量K/GPa剪切模量G/GPa内聚力c/MPa内摩擦角φ/(°)细砂岩22005.45.33.328泥岩21004.14.228243#煤14002.62.51.220粉砂岩22006.45.33.328泥岩23004.14.22.824（2）模拟结果分析大巷群垂直应力场图2(a)、(b)、(c)为大巷围岩垂直应力云图，可以看出掘巷后回风大巷左侧、轨道大巷右侧以及巷间煤柱内出现应力集中，最大应力达14MPa，应力集中系数为1.64；一侧采动后回风大巷右侧最大应力达19MPa，应力集中系数增加到2.23，回采对轨道大巷围岩应力影响较小；两侧采动后，由于工作面超前支承压力与大巷围岩应力叠加，在回风大巷右侧和轨道大巷出现应力集中，最大值达到22MPa，应力集中系数达到2.58，范围进一步扩大，由此可见，大巷受两侧采动后，煤柱承载能力进一步减小，大巷围岩更加破碎，维护难度更大。-14-12-12-11-11-10-10-10-10-10-9-9-9-9-9-9-9-9-9-9-9-7-7-7-7-6-6-6-5-5-5-5-4-4-4-4-4-3-3-3-2-2SZZ(MPa)-1-2-3-4-5-6-7-9-10-11-12-13-14-15-16Frame00112Apr2013FLAC3DtoTecplot10(a)掘巷扰动-9-9-7-11-7-9-8-11-13-11-11-9-9-7-7-1-7-7-8-13-9-13-5-3-8-17-9-1-7-3-3-9-8-11-8-13-9-5-7-5-8-7-7-8-5-9-5-8-9-9-11-5-11-9-5-8-15-15-5-9-7-8-9-5-9-8-13-3-5-8SZZ(MPa)-1-3-5-7-8-9-11-13-15-17-19Frame00113Apr2013FLAC3DtoTecplot10(b)一侧采动-6-8-12-12-10-14-14-12-12-10-12-10-8-6-4-4-6-8-14-10-12-16-12-14-14-12-12-10-12-6-10-2-10-2-10-10-12-12-8-6-10-2-6-10-12-10-12-14-10-10-12-12-10-10-2-12-12-4-2-2-6-4-4-22-4-2-14-14-4-6-6-6-14-8-8-2-12-4-12-2-10-10-8-12-10-12-10-12-12-8-8-6-4-8-10-14SZZ(MPa)-2-4-6-8-10-12-14-16-18-20-22Frame00113Apr2013FLAC3DtoTecplot10(c)两侧采动图2大围岩垂直应力场塑性区分析图3(a)、(b)、(c)为大巷围岩塑性区分布图。掘巷后，巷道围岩塑性区整体呈“十”字形分布，三条大巷塑性区范围大致相同；一侧采动后，回风大巷塑性区范围明显增大，胶带大巷和轨道大巷塑性区受回采影响较小；两侧采动后，围岩塑性区范围进一步增大，大巷塑性区以胶带大巷中轴线为对称轴呈对称分布，大巷顶、底板塑性区分别扩展到巷道顶、底部稳定岩层的边界。(a)掘巷扰动(b)一侧采动(c)两侧采动图3大巷围岩塑性区位移分析根据数值模拟结果分析巷道围岩变形规律。可知掘巷后三条大巷围岩总体变形量较小；一侧采动后，回风大巷顶板下沉、底板鼓起明显，胶带大巷底鼓略有显现，轨道大巷变形较小，巷间煤柱整体下沉量明显增大；两侧采动后，三条大巷均出现不同程度的顶板下沉并向巷内凸出弯曲及底鼓的变形特征，碹体变形开裂严重，严重影响矿井正常的安全生产。4砌碹巷道围岩控制技术4.1壁后充填、注浆及锚杆支护联合控制机理基于理论分析及砌碹巷道修复经验，结合现场实际，提出壁后充填、注浆加锚杆支护联合加固方案。其主要的机理包括以下几个方面。(1)支护体—充填体—围岩相互作用关系的形成是充分发挥支护体支护性能和提高围岩自身承载能力的先决条件，壁后充填体系这种整体作用取决于充填体自身的结构性，即充填料在支护体与围岩间形成板壳体的作用，该板壳体既要有一定的强度，承受围岩部分载荷，又要有一定的可缩性，吸收变形能。充填体的自结构性促进了围岩变形在巷道轴向的均匀分布以及支护体的整体作用，消除了支护可能出现的局部失稳现象，从而提高巷道的稳定性。(2)巷道围岩注浆的主要作用：注浆可以改变破碎煤岩体力学性能，提高破碎煤岩体的内聚力和内摩擦角，增大煤岩体内相对位移的阻力。从而提高煤岩体的强度和自身承载能力。充填压密裂隙，附近煤岩体将变为三向应力状态，煤岩体强度比二向应力状态时显著增大，并且脆性减弱，塑性增强。围岩注浆可以有效地封堵水流通道，隔离巷道水流，防止或者减小水对围岩的软化作用，避免围岩强度因水的影响而大幅降低。(3)使用高强锚杆，施加高预紧力锚杆、锚索，有效控制围岩裂隙发育，结构面的滑移与离层，保持巷道围岩在服务期内的完整性。4.2砌碹巷道联合控制技术参数（1）壁后充填加固壁后充填材料既要有一定的强度承受围岩部分载荷，又要有一定的可缩性吸收变形能。高水速凝材料可满足，更为突出的是该材料在湿度达到其重新生长条件时，经过一定时间，破坏的凝固体重新复原。根据实验室试验结果，综合考虑井下施工条件、浆液固结强度及材料消耗等因素，确定浆液的水灰比1.8∶1。根据大巷壁后空洞的位置，充填孔布置在拱顶及两侧，充填孔排距2000mm，孔深600mm，孔径42mm。回风、胶带、轨道大巷中，两侧直墙各施工1个钻孔：充填孔距底板1200mm。半圆拱共3个充填孔，孔间距1767mm，钻孔沿半圆拱径向施工。为防止充填浆液沿已经变形的砌碹裂缝外漏，对砌碹表面进行喷浆，厚度为50mm。壁后充填钻孔布置如图4、5所示。45°17