王莊煤礦5216綜放工作面破碎圍巖巷道注漿加固技術(shù)研究

段三平

（山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦，山西 長治 046000）

1 工程概況

1.1 工作面概況

王莊煤礦5216綜放工作面主采3號煤層，工作面平均煤厚6.9 m，煤層含3～4層加矸，工作面直接頂巖性為泥巖，平均厚度3.5 m，老頂巖性為細(xì)砂巖，平均厚度為6.7 m，工作面直接底巖性為泥巖，平均厚度2.6 m，老底巖性為中砂巖，平均厚度4.5 m，位于礦井52采區(qū)，工作面高程區(qū)間為610～660 m。工作面運輸巷為沿空掘巷，臨近5208采空區(qū)，保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸為18 m，巷高3.2 m，巷寬4.5 m，矩形斷面，設(shè)計長度1 500 m，沿煤層底板掘進(jìn)。圖1為5216工作面布置平面圖。

圖1 5216工作面布置平面圖

1.2 支護(hù)概況

圖2 為5216綜放工作面運輸巷掘進(jìn)時的支護(hù)斷面及參數(shù)，運輸巷頂板支護(hù)采用6根錨桿以800 mm×800 mm的間排距打設(shè)固定，再以1 250 mm×1 600 mm的間排距打設(shè)3根大孔徑預(yù)應(yīng)力錨索加強支護(hù)；巷幫采用5根錨桿以700 mm×800 mm的間排距打設(shè)固定，兩側(cè)巷幫支護(hù)相同。這種支護(hù)形式能夠滿足5216運輸巷在掘進(jìn)期間的支護(hù)需求，工作面進(jìn)入到回采階段，受采煤活動的動壓，采空區(qū)側(cè)壓以及巷道承壓的應(yīng)力集中影響，巷道在高應(yīng)力集中區(qū)域變形量加劇，出現(xiàn)冒頂、片幫的現(xiàn)象，巷道圍巖位移嚴(yán)重，這種情況在工作面回采一段時間以后進(jìn)一步惡化，此時工作面向外50 m范圍內(nèi)增加了單體液壓支柱進(jìn)行支護(hù)加強，但是巷道圍巖位移變形的情況仍然無法遏制[1-2]。工作面現(xiàn)場實際測得，最大頂板下沉量已達(dá)700 mm，兩側(cè)巷幫最大位移量已達(dá)1 000 mm，5216運輸巷的巷道變形問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到工作面的生產(chǎn)效率及安全性，需要采取措施對巷道進(jìn)行加強支護(hù)。

圖2 5216運輸巷支護(hù)斷面及參數(shù)

2 巷道變形分析及加固方案

2.1 巷道變形原因分析

由于5216運輸巷臨近采空區(qū)，雖然留設(shè)較大尺寸的保護(hù)煤柱，但在工作面進(jìn)行回采時還是會受到側(cè)面采空區(qū)支撐壓力的影響，再加上回采動壓以及超前承壓，導(dǎo)致工作面高應(yīng)力集中，造成5216運輸巷變形嚴(yán)重。為進(jìn)一步對工作面回采時巷道圍巖受應(yīng)力影響而位移破碎的機理，利用數(shù)值仿真計算軟件FLAC3D對5216運輸巷在工作面回采時的圍巖位移量分布情況進(jìn)行詳細(xì)分析[3-5]。根據(jù)工作面巖性參數(shù)進(jìn)行仿真建模，巖性參數(shù)詳見表1。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)建立的數(shù)值計算仿真模型，對5216運輸巷進(jìn)行力學(xué)仿真模擬，并生成對應(yīng)的圍巖位移區(qū)域分布，圖3為工作面前方5 m處巷道圍巖位移區(qū)分布；圖4為工作面前方25 m處巷道圍巖位移區(qū)分布。

經(jīng)分析，巷道圍巖的位移范圍跟工作面距離遠(yuǎn)近有關(guān)，距離越近位移范圍越大，反之減小。通過對比，發(fā)現(xiàn)巷道兩幫的圍巖位移受工作面回采影響較大，巷道兩幫圍巖承壓越大，位移范圍及位移量就越大[6-8]，由圖3、圖4可知，在工作面前方5 m處，運輸巷頂板和近煤柱側(cè)巷圍巖受影響較大，圍巖位移范圍也隨之變大，位移量最大時已超出運輸巷原支護(hù)范圍；在工作面前方25 m處，運輸巷頂板和近煤柱側(cè)巷幫已基本不受工作面超前承壓的影響，頂板圍巖及近煤住側(cè)巷幫圍巖位移范圍較小。

圖3 5216運輸巷工作面前方5 m位移區(qū)分布

圖4 5216運輸巷工作面前方25 m位移區(qū)分布

通過對數(shù)值仿真計算軟件FLAC3D仿真計算成果，并結(jié)合5216工作面的地質(zhì)資料的綜合分析，確定5216工作面在回采期間運輸巷巷道圍巖位移量大的主要因素主要為以下4點：

1）工作面地質(zhì)條件因素。5216工作面煤層的直接頂和直接底為泥巖，巖性較軟，穩(wěn)定性差，承壓能力弱，5216運輸巷沿底掘進(jìn)，巷道圍巖承壓能力不足。

2）受采空區(qū)側(cè)向壓力影響。在5216工作面進(jìn)行回采活動時，巷道圍巖受影響產(chǎn)生松動，運輸巷近煤柱側(cè)巷幫圍巖經(jīng)側(cè)向來壓后產(chǎn)生位移，造成巷道變形加劇。

3）受工作面超前承壓影響。工作面回采時，運輸巷圍巖受到工作面超前承壓與回采動壓的進(jìn)一步破壞，巷道頂板圍巖大幅下沉。

4）支護(hù)失效。數(shù)值仿真計算模擬結(jié)果顯示，5216運輸巷巷道圍巖在工作面回采期間，由于破碎和位移量較大，導(dǎo)致原巷道支護(hù)范圍不足以對破碎圍巖形成有效支護(hù)作用，巷道圍巖位移量及范圍隨之變大。

2.2 工作面注漿加固

5216運輸巷原有的支護(hù)形式在工作面回采期間已無法滿足巷道的支護(hù)需求，給工作面的安全生產(chǎn)造成很大的影響。為提高巷道支護(hù)強度，增加巷道圍巖的承壓能力，在巷道原有支護(hù)基礎(chǔ)上，決定對工作面進(jìn)行注漿加固，通過對巷道注入高強度的速凝漿液充分填充圍巖破碎裂隙，改善巷道圍巖的力學(xué)特性，提升巷道圍巖的整體性及承壓能力。對巷道圍巖破碎位移的因素分析及模擬計算，結(jié)合工作面回采時巷道圍巖承壓需求，確定本次注漿加固工程的具體方案：

1）注漿鉆孔設(shè)計。如圖5所示，5216運輸巷頂板采用淺層注漿并結(jié)合注漿錨索進(jìn)行加固，設(shè)計布置淺層注漿鉆孔2個，孔徑42 mm，孔深為2.5 m，孔間距為1.5 m×1.6 m，注漿錨索設(shè)計3根，孔徑32 mm，孔深8 m，孔間距為1.25 m×1.6 m，注漿錨索預(yù)緊力設(shè)計為28 MPa；運輸巷煤柱側(cè)巷幫設(shè)計布置注漿錨索2根，孔徑32 mm，孔深5 m，孔間距為1.1 m×1.6 m，注漿錨索預(yù)緊力設(shè)計為28 MPa。

圖5 5216運輸巷注漿加固方案布置圖

2）漿液配比。5216運輸巷注漿加固材料選擇高強度水泥、懸浮劑、石膏、石灰、速凝劑以及緩凝劑，并根據(jù)材料特性將上述材料分為2類，Ⅰ類材料為高強度水泥、懸浮劑、緩凝劑；Ⅱ類材料石膏、石灰、懸浮劑、速凝劑。為在進(jìn)行注漿漿液配比時，Ⅰ類材料混合配比與Ⅱ類材料混合配比，通過配比實驗，發(fā)現(xiàn)在漿液的水灰配比在1.5∶1時，可達(dá)到最佳使用效果。

3）注漿壓力。根據(jù)5216運輸巷圍巖的破碎程度以及注漿材料的特性分析，確定巷道頂板淺層注漿孔注漿壓力為1～2 MPa，注漿錨索的注漿壓力最大不能超過5 MPa。

4）注漿量。為使注漿加固效果最大化，在進(jìn)行現(xiàn)場注漿活動時，要確保巷道注漿充分，注漿壓力達(dá)標(biāo)后，觀察注漿孔變化情況，當(dāng)出現(xiàn)漿液滲出時方可停止注漿。具體的單孔注漿量可由公式（1）計算得出：

式中：Q為注漿孔的單孔注漿量，m3；L為注漿孔鉆進(jìn)方向上加固范圍長度，m；A為注漿時的材料消耗系數(shù)，取值1.2～1.5；β為破碎圍巖裂隙率，取值1%～5%；R為漿液擴散半徑，m。5216運輸巷注漿加固工程工序流程圖如圖6所示。

圖6 5216運輸巷注漿加固流程圖

3 效果分析

5216工作面完成注漿加固工程后，運輸巷圍巖位移得到一定控制，為驗證運輸巷注漿加固的效果，對巷道頂?shù)装逡约跋锏纼蓭蛧鷰r的位移量進(jìn)行了持續(xù)測量。并將測量成果繪制成圖，如圖7、圖8所示。

圖7 5216運輸巷在回采期間圍巖位移曲線

圖8 5216運輸巷回采期間圍巖位移速率曲線

1）5216運輸巷在經(jīng)過注漿加固后，在工作面回采期間，巷道近煤住側(cè)向來壓與采動超前承壓對巷道圍巖位移的影響得到了控制。頂板圍巖下沉量不足400 mm，巷道兩幫相對位移量不足700 mm，能夠滿足工作面在回采期間運輸巷的使用要求。

2）工作面回采期間，5216運輸巷受超前承壓影響，距離回采位置越近巷道圍巖的位移速度越快，距離回采位置越遠(yuǎn)巷道圍巖的位移速度越慢。

3）工作面回采期間，5216運輸巷受超前承壓影響，距離回采位置越近巷道圍巖的位移量越大，距離回采位置越遠(yuǎn)巷道圍巖的位移量越小。

4）5216運輸巷進(jìn)行注漿加固后，巷道圍巖位移受超前承壓的影響范圍在40 m左右，在影響范圍內(nèi)巷道圍巖位移速率明顯高于影響范圍外。

4 結(jié)論

為能夠滿足5216運輸巷采工作面回采期間的使用要求，結(jié)合王莊煤礦基礎(chǔ)地質(zhì)資料對5216工作面進(jìn)行圍巖位移因素及圍巖承壓能力的數(shù)值計算仿真模擬。發(fā)現(xiàn)5216運輸巷在工作面回采期間受多種應(yīng)力影響，且原巷道支護(hù)因圍巖位移嚴(yán)重而喪失支護(hù)能力，導(dǎo)致巷道圍巖位移進(jìn)一步加快?；诖朔N情況綜合分析，決定對原巷道支護(hù)進(jìn)行注漿加固補強，結(jié)合5216工作面地質(zhì)情況及工程造價等問題，確定了注漿加固方案，5216運輸巷頂板采用淺層注漿與注漿錨索進(jìn)行注漿加固，煤柱側(cè)巷幫采用注漿錨索進(jìn)行注漿加固，通過對注漿后運輸巷圍巖位移參數(shù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)注漿加固后巷道圍巖位移情況得到了有效控制，巷到頂板圍巖下沉量控制在 400 mm內(nèi)，兩幫圍巖相對位移量控制在700 mm內(nèi)，滿足工作面回采期間運輸巷的使用要求，保證了礦井安全高效生產(chǎn)。