趙莊煤業(yè)大變形復(fù)用巷道注漿加固技術(shù)研究

王 偉

（晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000）

趙莊煤業(yè)大采高綜采工作面一般布置3～5條順槽，部分順槽保留下來(lái)為下一工作面復(fù)用。由于受地應(yīng)力增大、強(qiáng)烈采動(dòng)影響、地質(zhì)構(gòu)造增多等諸多不利因素影響，復(fù)用順槽變形嚴(yán)重，需要多次返修，加上趙莊煤業(yè)順槽長(zhǎng)度超過(guò)2000m，返修工程量巨大，嚴(yán)重影響了回采效率[1-4]。注漿加固作為一種有效的主動(dòng)支護(hù)手段，已在煤礦得到廣泛應(yīng)用，但是復(fù)用順槽不同于大巷等靜壓巷道，其變形規(guī)律與工作面相對(duì)位置關(guān)系息息相關(guān)，需要考慮最佳注漿時(shí)機(jī)，盲目注漿加固效果事倍功半[5-7]。對(duì)此，在趙莊煤業(yè)13092復(fù)用順槽開(kāi)展注漿加固工業(yè)性試驗(yàn)，掌握復(fù)用順槽變形規(guī)律和注漿加固時(shí)機(jī)，為相似工程提供理論基礎(chǔ)。

1 工程背景

趙莊煤業(yè)13092巷為1309工作面回風(fēng)順槽，全長(zhǎng)約2340m，服務(wù)于1309和1310兩個(gè)工作面，目前1309工作面正在回采當(dāng)中，1310工作面尚未回采。1309工作面走向長(zhǎng)度2340m，傾向長(zhǎng)度220m，煤層厚度4.7m，采用一次采全高后退式開(kāi)采方法。巷道與工作面位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

13092巷上方偽頂為0.74m厚泥巖，直接頂為3.7m厚砂質(zhì)泥巖，老頂為0.65m厚細(xì)粒砂巖，直接底為1.1m厚細(xì)粒砂巖，老底為3.5m厚砂質(zhì)泥巖。頂板上方30m為不穩(wěn)定軟弱巖層，工作面回采一次垮落高度大，動(dòng)載系數(shù)約為2，礦壓顯現(xiàn)明顯，對(duì)巷道影響強(qiáng)烈。

圖1 13092巷與工作面位置關(guān)系圖

2 復(fù)用順槽變形規(guī)律及最佳注漿時(shí)機(jī)分析

2.1 變形規(guī)律

在13092復(fù)用順槽切眼前方400m位置，向外布置5組表面位移測(cè)點(diǎn)和幫部離層測(cè)點(diǎn)，每組間隔50m。根據(jù)巷道圍巖變形速度與工作面位置關(guān)系，發(fā)現(xiàn)復(fù)用順槽變形具有明顯的滯后性和劇烈性，并具有較明顯的分區(qū)規(guī)律（測(cè)點(diǎn)在工作面前方為正，在工作面后方為負(fù)）：

1）初始影響區(qū)：50m～-200m。采動(dòng)影響不明顯，兩幫收縮量不足150mm，頂?shù)装鍘缀鯚o(wú)變化，兩幫收斂速度約4mm/d，頂板、兩幫外觀完整，煤體內(nèi)部裂隙發(fā)育不明顯；

2）劇烈影響區(qū)：-200m～-800m。采動(dòng)影響強(qiáng)烈，兩幫收縮量800mm，收斂速度超過(guò)12mm/d，最大20mm/d，頂板下沉量200mm，底鼓量600mm。頂板變形量大出現(xiàn)破碎，需要架棚支護(hù)，巷幫鼓出不均勻，兩幫網(wǎng)兜嚴(yán)重；

3）穩(wěn)定區(qū)：-800m后方區(qū)域。頂板活動(dòng)結(jié)束，采動(dòng)影響趨于緩和，兩幫收縮量300mm，頂板下沉量50mm，出現(xiàn)緩慢底鼓。兩幫最終變形量1200mm，最終巷寬3.8m；頂板下沉量250mm，底鼓800mm，起底后最終巷高4.1m，斷面小于要求的17m2，不能滿(mǎn)足下一工作面使用，需要返修。

幫部離層觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，離層在幫部深度范圍0～12m均有分布，其中 0～2.5m占比 30%，2.5m～6.5m占比40%，6.5m～8.5m占比20%，8m～12m占比10%。說(shuō)明離層主要在淺部0～8m分布。淺部0～2.5m處于密集錨桿支護(hù)范圍內(nèi)，主要為巖石碎脹變形；2.5m～6.5m為錨桿錨索中間范圍，離層量較大，出現(xiàn)大量錨索斷裂、脫錨失效現(xiàn)象；6.5m～8m處于錨索支護(hù)范圍之外，出現(xiàn)較大離層，表明淺部0～6.5m出現(xiàn)整體鼓出；8m～12m位于深部，變形受淺部巖層約束，為極限平衡區(qū)范圍，離層量較小。

2.2 各分區(qū)可注性分析

1）初始影響區(qū)：50m～-200m。與工作面前方50m以外相比，裂隙、離層逐漸發(fā)育，裂隙導(dǎo)通，有利于注漿，但注漿量較小。

2）劇烈影響區(qū)：-200m～-800m。巷道圍巖變化速度快，裂隙快速擴(kuò)展，貫通性好，注漿量大，而且隨著新裂隙不斷快速產(chǎn)生，同一區(qū)域復(fù)注仍能較大量注漿。

3）穩(wěn)定區(qū)：-800m后方區(qū)域。新的裂隙基本不再產(chǎn)生，巷道圍巖進(jìn)入相對(duì)平衡穩(wěn)定狀態(tài)，但仍能夠較大量注漿。

2.3 最佳注漿時(shí)機(jī)

目前，復(fù)用順槽變形量大的主要原因包括：前期支護(hù)強(qiáng)度不足造成劇烈影響區(qū)變形量過(guò)大，原有支護(hù)破壞；經(jīng)歷劇烈影響區(qū)后，圍巖產(chǎn)生大量新的裂隙，穩(wěn)定區(qū)裂隙得不到及時(shí)加固，巷道持續(xù)變形。針對(duì)以上變形原因，加固應(yīng)分兩步，一次超前注漿加固控制圍巖持續(xù)變形與二次滯后注漿加固控制圍巖大裂隙。一次超前注漿加固應(yīng)在初始影響區(qū)內(nèi)進(jìn)行，此區(qū)域裂隙貫通性提高，可注性提高，但注漿量較小，避免了材料浪費(fèi)，包括注漿和錨索補(bǔ)強(qiáng)；滯后注漿在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)進(jìn)行，對(duì)經(jīng)過(guò)劇烈動(dòng)壓影響的區(qū)域產(chǎn)生的大裂隙進(jìn)行注漿加固，頂板壓力基本穩(wěn)定，加固后不會(huì)產(chǎn)生新的變形。

3 注漿加固方案設(shè)計(jì)

3.1 超前注漿加固

采用4m、8.5m兩個(gè)孔深交替布置。4m孔用于封堵淺部錨桿孔等裂隙，8.5m孔用于加固錨索錨固段范圍，均垂直于煤幫。如圖2所示。

注漿材料選用晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院研發(fā)的聯(lián)邦加固（雙液）材料，材料1～3min失去流動(dòng)性，5～10min終凝，2h強(qiáng)度10MPa以上，有利于堵漏和注漿后及時(shí)錨索補(bǔ)強(qiáng)。

圖2 注漿鉆孔布置示意圖

3.2 滯后注漿加固

滯后注漿在穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行。采用12m一個(gè)孔深進(jìn)行加固，鉆孔上、下排矩形布置，下排孔開(kāi)孔高度距離底板2m，仰角0°，上排孔開(kāi)孔高度距離底板3m，仰角5°孔深12m，孔徑42mm。鉆孔布置方式如圖3所示。

圖3 注漿鉆孔布置示意圖

注漿材料選用晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院研發(fā)的聯(lián)邦加固（單液）超細(xì)注漿材料，材料20～30min失去流動(dòng)性，可以保證較深鉆孔下漿液在裂隙中充分?jǐn)U散，60～80min 初凝，360min～480min 終凝，1d 強(qiáng)度16MPa以上，3d強(qiáng)度25MPa以上，加固后能夠顯著提高圍巖強(qiáng)度。

3.3 注漿量統(tǒng)計(jì)

1）一次超前注漿4m孔平均單孔注漿量0.2t，8m孔平均單孔注漿量0.5t；

2）二次滯后注漿12m孔平均單孔注漿量1t。

注漿量表明初始變形區(qū)超前注漿量較小，節(jié)約了材料，針對(duì)穩(wěn)定區(qū)劇烈影響區(qū)產(chǎn)生的大量裂隙的滯后注漿，注漿量得到顯著提高。

4 注漿效果監(jiān)測(cè)及分析

為對(duì)注漿效果進(jìn)行考察對(duì)比，在13092復(fù)用順槽布置表面位移監(jiān)測(cè)站對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。巷道圍巖變形情況與未注漿加固前對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 巷道變形曲線(xiàn)

從圖4中可以看出：注漿加固后巷道兩幫最終變形量600mm，對(duì)比巷道未注漿區(qū)域，巷道兩幫變形量減少40%左右，在劇烈影響區(qū)域兩幫移近速率明顯減緩；其中初始影響區(qū)變形量約為120mm，占比20%，劇烈影響區(qū)變形量約為450mm，占比75%，穩(wěn)定區(qū)變形量約為30mm，占比5%；注漿加固后巷道頂?shù)装逡平?00mm，對(duì)比未注漿加固區(qū)域減少37%左右，在劇烈影響區(qū)域頂?shù)装逡平俾拭黠@得到減緩；其中，初始影響區(qū)變形量約為40mm，占比8%，劇烈影響區(qū)變形量約為380mm，占比76%，穩(wěn)定區(qū)變形量80mm，占比16%。注漿加固后最終巷寬4.4m，起底后最終巷高4.3m，斷面超過(guò)19m2。本次注漿加固，圍巖變形得到有效控制，表明注漿加固方案和時(shí)機(jī)的合理性，注漿加固后的復(fù)用巷道完全可以滿(mǎn)足下一工作面正常使用。

5 結(jié) 論

1）趙莊煤業(yè)大采高工作面復(fù)用順槽變形具有明顯的滯后性和劇烈性，變形量極大，未加固區(qū)域不能滿(mǎn)足下一工作面使用。

2）大采高工作面復(fù)用順槽分區(qū)規(guī)律明顯，在分析變形規(guī)律、離層分布、可注性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了合理的超前注漿和滯后注漿加固方案。

3）通過(guò)對(duì)復(fù)用巷道進(jìn)行二次注漿加固，注漿加固效果表明：注漿加固后巷道兩幫最終變形量600mm，對(duì)比巷道未注漿區(qū)域，巷道兩幫變形量減少40%左右；注漿加固后巷道頂?shù)装逡平?00mm，對(duì)比未注漿加固區(qū)域減少37%左右。圍巖變形得到有效控制，節(jié)約了返修成本，注漿加固后的復(fù)用巷道完全可以滿(mǎn)足下一工作面正常使用。