18503工作面復(fù)用巷道二次注漿工藝及模擬分析

何天龍

（西山煤電晉興能源有限公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

隨著工作面采深、采高的逐步增加，礦山壓力顯現(xiàn)越來越明顯，使得復(fù)用巷道的留設(shè)成為難題[1-4]。隨著后期開采活動(dòng)的影響，復(fù)用巷道兩側(cè)的圍巖松動(dòng)圈范圍逐步擴(kuò)大，致使煤巖體的整體性下降，圍巖體離散程度加大，巷道支護(hù)效果降低，巷道整體變形進(jìn)一步加劇[5]。二次采動(dòng)影響下的巷道，支護(hù)難度大，整體性差，注漿加固成為有效地提高巷道圍巖的整體性、控制巷道變形的有效方法。斜溝煤礦18503工作面復(fù)用巷道采用超前注漿與滯后注漿的二次注漿加固技術(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)的前期調(diào)研和力學(xué)性能試驗(yàn)，初步確定現(xiàn)場(chǎng)的具體注漿參數(shù)，并結(jié)合數(shù)值模擬和后期的工藝性試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證該技術(shù)對(duì)控制復(fù)用巷道的大變形有較大的幫助。

1 現(xiàn)場(chǎng)礦壓規(guī)律分析

復(fù)用巷道在采動(dòng)影響下，其時(shí)間和空間上與采煤工作面有明顯的分區(qū)特點(diǎn)。就工作面前方的支承壓力而言，通過在受采動(dòng)影響的煤體中埋設(shè)的鉆孔應(yīng)變計(jì)和觀測(cè)工作面影響區(qū)單體柱的壓力變化，可以將工作面支承壓力劃分為三個(gè)區(qū)，如圖1。

圖1 工作面支承壓力分布規(guī)律

2 復(fù)用巷道注漿時(shí)機(jī)

注漿過早的話，由于煤體自身結(jié)構(gòu)完整，會(huì)使得整體注漿效果不明顯；但如果注漿時(shí)間過晚，由于煤體在復(fù)合壓力作用下破碎嚴(yán)重，這種情況下會(huì)使得注漿液消耗量大，造成材料不必要的浪費(fèi)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)支承壓力的監(jiān)測(cè)，選擇壓力值達(dá)到峰值時(shí)開始注漿。就二次注漿而言，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面推進(jìn)情況，選擇滯后支承壓力對(duì)復(fù)用巷道產(chǎn)生影響時(shí)開始注漿。

前期超前注漿會(huì)使得煤體整體性高，煤體具有一定的強(qiáng)度。滯后二次注漿選擇在滯后工作面處，因?yàn)樵谥С袎毫ψ饔孟?，該處巷道兩幫裂隙發(fā)育充分，有利于漿液在煤巖體中的擴(kuò)散，能夠較大程度上提高煤巖體的整體強(qiáng)度。

3 復(fù)用巷道二次注漿工藝參數(shù)

3.1 二次注漿壓力

注漿壓力的大小影響著注漿液在巷道煤巖體中的擴(kuò)散范圍和擴(kuò)散速度，注漿壓力的選取直接影響著復(fù)用巷道注漿加固的效果，而注漿壓力的選取又取決于巷道周邊煤巖體的力學(xué)性能、注漿液的性質(zhì)及所要求的漿液擴(kuò)散半徑。

注漿壓力可按照經(jīng)驗(yàn)公式（1）求得：

式中：

?-注漿過程中的壓力系數(shù)，MPa/m，當(dāng)注漿地點(diǎn)埋深小于250m時(shí)，?=0.022～0.020；注漿地點(diǎn)埋深為250～350m時(shí)，?=0.020～0.018；注漿地點(diǎn)埋深為350～450m時(shí)，?=0.018～0.016；

RD-有效注漿長度，即復(fù)用巷道兩幫圍巖松動(dòng)圈半徑，m。

根據(jù)前期對(duì)斜溝煤礦18503工作面復(fù)用巷道的調(diào)研，可知：注漿地點(diǎn)的埋深為375m，?可取0.18；而巷道兩幫的圍巖松動(dòng)圈半徑為2.3m，因此可以得出適合該復(fù)用巷道的注漿壓力PD為0.414MPa。

3.2 二次注漿量

考慮到注漿量會(huì)受復(fù)用巷道兩幫圍巖的裂隙發(fā)育、松動(dòng)圈范圍及圍巖巖性的影響，其注漿量可采用式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Q-二次注漿量，m3；

r-二次注漿的有效擴(kuò)散半徑，m；

n-巷道兩幫圍巖體的孔隙率，取0.85；

L-二次注漿鉆孔的整體長度，m；

α-二次注漿充填系數(shù)，取0.70；

β-二次注漿壓力衰減系數(shù)，取1.25。

根據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈范圍，二次注漿的有效擴(kuò)散半徑為2.5m，而二次注漿鉆孔的整體長度為3.0m，計(jì)算得出其注漿量Q為43.79m3。

3.3 二次注漿有效半徑

二次漿液在巷道兩幫煤巖體裂隙中的擴(kuò)散是極為不規(guī)則的，隨著煤巖體自身的滲透系數(shù)、裂隙發(fā)育寬度、二次注漿壓力、二次注漿時(shí)間的增加而逐漸增大，隨著二次漿液的濃度和二次注漿液的黏度的增加而注漿減小。因此，現(xiàn)場(chǎng)通常以調(diào)節(jié)注漿液的二次注漿壓力、注漿量及注漿濃度等參數(shù)來控制注漿液在煤巖體中的擴(kuò)散范圍。

根據(jù)以往的注漿經(jīng)驗(yàn)，推導(dǎo)得出適合于二次注漿的公式（3）：

式中：

γ-煤巖體的容重，kg/m3；

h-注漿地點(diǎn)的埋深，m；

σc-復(fù)用巷道兩幫煤巖體的平均抗壓強(qiáng)度，MPa；

H-復(fù)用巷道的巷高，m。

由式（3）可以得出二次注漿有效半徑為2.46m。

3.4 二次注漿鉆孔布置方式

二次注漿鉆孔孔深根據(jù)巷道兩幫圍巖體的松動(dòng)圈范圍而定，孔間距的選擇根據(jù)注漿液的有效擴(kuò)散半徑而定，因此其孔間距應(yīng)為二次注漿有效半徑的1.65～1.75倍之間，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況而定。

4 復(fù)用巷道二次注漿效果分析

根據(jù)對(duì)斜溝煤礦18503工作面的前期調(diào)研，運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行有限元模擬，通過對(duì)斜溝煤礦18503工作面復(fù)用巷道進(jìn)行二次注漿模擬，分析二次注漿前后巷道兩幫圍巖體的力學(xué)特性和位移變化情況。

（1）煤巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)對(duì)斜溝煤礦18503工作面注漿前的取樣巖芯與注漿后的取樣巖芯分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性能測(cè)試，得出斜溝煤礦18503工作面二次注漿前后煤巖體的力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

（2）二次注漿前后模擬分析

由圖2模擬數(shù)據(jù)分析得出：二次注漿加固后，巷道兩幫的應(yīng)力峰值較二次注漿前降低了12%，由應(yīng)力變化云圖可以明顯看出，二次注漿加固后的巷道應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了很大程度的降低，間接地證明二次注漿加固能夠提高破碎圍巖體的整體性，改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由圖3模擬數(shù)據(jù)分析得出：二次注漿加固后，巷道的最大垂直位移從931mm降低至395mm，相對(duì)于二次注漿前減少了58%之多。

由圖4模擬數(shù)據(jù)分析得出：二次注漿加固后，巷道的最大水平位移從774mm降低至272mm，相對(duì)于二次注漿前減少了66%。

表1 二次注漿前后煤巖體力學(xué)參數(shù)

5 結(jié)論

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與理論分析，確定復(fù)用巷道在超前支承壓力達(dá)到峰值的位置進(jìn)行一次注漿加固，并于滯后采煤工作面的變形速度最大處進(jìn)行二次注漿。

（2）經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，在復(fù)用巷道水平位移方面：二次注漿加固后相對(duì)于二次注漿前減少503mm的移近量；在復(fù)用巷道垂直位移方面：二次注漿加固后相對(duì)于二次注漿前減少537mm的移近量，基本滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，也進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。

圖2 二次注漿前后巷道應(yīng)力變化云圖

圖3 二次注漿前后巷道垂直位移變化云圖

圖4 二次注漿前后巷道水平位移變化云圖