綜放回采巷道破碎圍巖注漿加固技術(shù)研究

李 飛

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦，山西 長治 046031)

1 工程概況

王莊煤礦5216工作面位于52采區(qū)，所采煤層為3#煤層，煤層均厚為6.9m，平均含有夾矸3～4層，采用綜采放頂煤工藝開采，煤層直接頂為均厚為3.5m的黑色泥巖，基本頂為均厚為6.7m的灰色細(xì)粒砂巖，直接底為2.6m的黑色泥巖，老底為均厚為4.5m的灰色中砂巖，工作面標(biāo)高為610～660m。5216工作面運輸巷沿3#煤層底板掘進(jìn)，全長為1500m，巷道斷面為矩形，高度為3.2m，寬度為4.5m，該巷道與5208采空區(qū)之間留設(shè)有18m的保護(hù)煤柱，5216工作面具體位置如圖1所示。

圖1 5216工作面位置示意圖

圖2 5216工作面運輸巷支護(hù)斷面圖

5216工作面運輸巷掘進(jìn)后采用的支護(hù)方式為錨網(wǎng)梁支護(hù)，巷道頂板布置錨桿6根，間排距為800×800mm，頂板布置3根大孔徑預(yù)應(yīng)力錨索，間排距為1250×1600mm，巷道兩幫布置5根錨桿，間排距為700×800mm，具體巷道支護(hù)斷面圖如圖2所示。該巷道在掘進(jìn)期間采用錨網(wǎng)梁支護(hù)能夠基本圍巖穩(wěn)定，但在5216工作面回采期間，5216工作面運輸巷由于受到回采動壓、采空區(qū)側(cè)向支承壓力和工作面支承壓力三種應(yīng)力疊加的影響作用，致使巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，具體表現(xiàn)為巷道兩幫煤壁向巷道內(nèi)變形，頂板下沉量大，其中在工作面大約回采40m以后，工作面前方圍巖松散破碎，致使原有支護(hù)錨桿、錨索失效嚴(yán)重，礦方運用單體支柱在超前工作面50m范圍內(nèi)進(jìn)行支護(hù)，仍無法控制住巷道圍巖變形。根據(jù)現(xiàn)場觀測在巷道變形嚴(yán)重區(qū)域頂板下沉量達(dá)到600～700mm，兩幫的變形量達(dá)到800～1000mm，故現(xiàn)需采取措施對5216工作面運輸巷進(jìn)行加固。

2 巷道變形原因分析與加固方案

2.1 巷道變形原因分析

5216工作面運輸巷在工作面回采期間由于受到超前支承壓力和側(cè)向支承壓力的疊加作用，使得巷道圍巖變形破碎，現(xiàn)為充分分析巷道在采動及超前支承壓力作用下的圍巖變形機理，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對5216工作面運輸巷在回采期間圍巖塑性區(qū)的分布特征進(jìn)行具體分析，建立模型時各巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

通過數(shù)值模擬建立力學(xué)計算模型，并進(jìn)行開挖支護(hù)后對位于工作面前方5m和25m范圍的圍巖塑性區(qū)分布進(jìn)行出圖分析，如圖3、圖4所示。

通過分析圖3、圖4分析可知，圍巖塑性區(qū)范圍隨著與工作面距離的增大而逐漸減小，工作面回采主要對工作面幫巷道圍巖塑性區(qū)的分布影響較大，工作面幫塑性區(qū)域的分布隨著支承壓力的增大而逐漸增大，工作面前方5m處巷道頂板和煤柱幫受到剪切拉破壞范圍及塑性區(qū)域范圍較大，局部塑性區(qū)域已超出原有錨索支護(hù)的范圍；工作面前方25m處，巷道煤柱幫及頂?shù)装逅苄詤^(qū)域范圍相對較小，基本已不再受工作面超前支承壓力的影響。根據(jù)5216工作面的地質(zhì)資料結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果能夠分析得出5216工作面運輸巷在回采期間圍巖變形量大的主要原因如下：①5216工作面運輸巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道直接頂及直接底均為泥巖，巷道本身圍巖巖性較差、強度低；②巷道在開挖擾動后，圍巖出現(xiàn)松動破壞，同時受到臨近采空區(qū)高側(cè)向支承壓力的影響，使巷道進(jìn)一步變形；③在工作面回采超前支承壓力與側(cè)向支承壓力的聯(lián)合作用下巷道進(jìn)一步變形破壞，巷道圍巖由淺部塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)榛卷斦w下沉變形；④根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在工作面回采期間，圍巖破碎區(qū)域的范圍超過錨桿的錨固范圍，使錨桿喪失了支護(hù)承載能力，使圍巖變形進(jìn)一步增大。

圖35216 工作面運巷工作面前方5m塑性區(qū)分布

圖45216 工作面運巷前方25m塑性區(qū)分布

2.2 巷道注漿加固方案

在5216工作面回采期間，5216工作面運輸巷在回采工作面前方礦壓顯現(xiàn)劇烈，根據(jù)上述分析知巷道圍巖變形量大，僅采用錨桿支護(hù)、U型棚支護(hù)等傳統(tǒng)的支護(hù)手段很難取得較好圍巖控制的效果，此時便需要從改善巷道圍巖特性，提升圍巖自身承載能力出發(fā)，根據(jù)理論研究與相關(guān)實踐能夠得出注漿加固能夠從根本上改變圍巖力學(xué)性能，提高圍巖承載能力[1-3]，故擬對5216工作面運輸巷頂板及煤柱幫進(jìn)行注漿加固。本次注漿施工在注漿材料的選擇上綜合考慮了工程成本與效果后選擇了高水速凝材料作為注漿材料，具體注漿加固的參數(shù)主要如下：

1）注漿鉆孔布置。在5216工作面運輸巷頂板采用淺部注漿和注漿錨索相結(jié)合的注漿方式，煤柱幫采用注漿錨索進(jìn)行加固，巷道頂板布置2個淺部注漿孔，3個注漿錨索孔，淺部注漿孔之間的間排距為1500mm×1600mm，孔深2.5m，孔徑為42mm，頂板注漿錨索間排距為1250mm×1600mm，孔深8000mm，孔徑為32mm；煤柱幫布置2個注漿錨索，錨索的間排距為1100mm×1600mm，錨索注漿孔深5000mm，孔徑為32mm，頂板及煤柱幫設(shè)定的注漿錨索的預(yù)緊力均為28MPa,具體注漿鉆孔布置如圖5所示。

圖5 5216工作面運輸巷注漿鉆孔布置圖

2）注漿水灰比。本次使用的高水速凝材料[4]主要由甲料加甲料和乙料加乙料組成，甲料加甲料的主要成分為硫鋁酸鹽水泥熟料、懸浮劑和緩凝劑，實際應(yīng)用中甲料加甲料混合使用，乙料加乙料的主要成分為石膏、石灰、懸浮劑及速凝劑，實際使用時乙料加乙料混合使用。通過不同水灰比的試驗研究表明[5]，當(dāng)水灰比為1.5：1時，漿液固結(jié)體的性能較好，經(jīng)濟(jì)合理，故最終確定甲料加甲料與乙料加乙料的水灰配比均為1.5：1。

3）注漿壓力。注漿壓力主要由注漿材料的性能、滲透范圍及圍巖的滲透性等因素確定，注漿壓力高時能克服裂隙的阻力使?jié){液滲透到圍巖，但壓力過高時會對圍巖產(chǎn)生劈裂效應(yīng)；在圍巖裂隙發(fā)育嚴(yán)重時，注漿壓力一般小于1MPa，在圍巖裂隙開裂度較小時注漿壓力可為1～2MPa[6]。根據(jù)5216工作面運輸巷的實際情況確定淺部注漿孔的注漿壓力不超過2MPa，注漿錨索的壓力不超過5MPa。

4）注漿量。為保證注漿加固后破碎圍巖能夠充填密實并充分固結(jié)，現(xiàn)場注漿時應(yīng)保證注到不吃漿為止，在達(dá)到注漿壓力后。通過觀察漿液的滲透、漏出情況來判斷注漿孔漿液是否已經(jīng)注漿充分，另外每隔注漿孔的漿液消耗量可通過下式進(jìn)行計算：

式中：Q為注漿鉆孔的漿液注入量，m3；L為鉆孔長度方向加固區(qū)域的厚度，m；A為漿液的消耗系數(shù)，取1.2～1.5；β為圍巖的裂隙率，取1%～5%；R為漿液的有效擴(kuò)散半徑，m。

淺部注漿施工時的施工順序為打設(shè)注漿鉆孔→插管封孔→注漿施工，中空注漿錨索的施工順序為打設(shè)錨索注漿孔→安裝注漿錨索→張拉錨索→錨索注漿。

3 注漿加固效果分析

在對5216工作面運輸巷注漿加固后通過對巷道表面進(jìn)行持續(xù)的位移測量頂?shù)装逡平考皟蓭褪諗苛?，根?jù)測量結(jié)果能夠判斷出采用壁后注漿后，錨桿錨索的注漿效果及巷道圍巖的穩(wěn)定性。將位移測量所得到的數(shù)據(jù)繪制成變形量、變形速度—距工作面距離的曲線，如圖6、圖7所示。從圖6、圖7中能夠看出如下規(guī)律：

1）5216工作面運輸巷在工作面回采期間，通過對巷道進(jìn)行注漿加固后，巷道在側(cè)向支承壓力和超前支承壓力的影響下，頂板下沉量小于400mm，兩幫的相對移近量小于700mm，故5216工作面運輸巷在注漿加固后巷道的變形量滿足使用要求；

2）在5216工作面回采期間，在超前支承壓力范圍內(nèi)巷道頂板下沉速度隨著距離工作面長度的縮短在逐漸增大，超出超前支承壓力的影響范圍后的巷道圍巖變形速度逐漸減??；

3）從圖5中能夠看出在超前支承壓力的影響范圍內(nèi)，與工作面的距離越小，巷道的變形量越大，并且該處變形量會決定巷道最終變形量的大?。?/p>

圖65216 工作面運輸巷在回采期間圍巖變形曲線

圖7 5216工作面運輸巷回采期間圍巖變形速率曲線

4）從圖7巷道圍巖變形速率曲線能夠看出注漿加固后超前支承壓力的影響范圍約為40m，在超前支承壓力的范圍內(nèi)巷道圍巖變形量較快，超出超前支承壓力的影響范圍后巷道變形速度便比較緩慢。

4 結(jié) 論

1）通過綜合5216工作面運輸巷地質(zhì)資料和數(shù)值模擬結(jié)果得出巷道圍巖巖性差、回采動壓及側(cè)向支承壓力作用下圍巖破壞嚴(yán)重及工作面前方5m以上的范圍塑性區(qū)寬度超出錨桿的錨固范圍，使錨桿喪失承載能力是造成巷道圍巖變形大的主要原因。

2）針對5216工作面運輸巷變形破壞特征，提出對巷道頂板采用注漿管淺部注漿與注漿錨索相結(jié)合的注漿方式，煤柱幫采用注漿錨索的方式對巷道進(jìn)行注漿加固

3）注漿加固后，通過礦壓觀測數(shù)據(jù)能夠得出巷道頂板下沉量小于400mm，兩幫的相對移近量小于700mm，注漿加固有效的提高了圍巖的承載能力，使得巷道變形量滿足回采期間的使用要求。