動(dòng)壓影響巷道圍巖注漿加固技術(shù)研究

李昱輝

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 盛泰煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048400)

煤礦巷道穩(wěn)定性一直是采礦行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一，其中動(dòng)壓影響下巷道圍巖穩(wěn)定性又是其中的難點(diǎn)。由于受到巷道掘進(jìn)以及相鄰工作面回采的多次影響，巷道圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜，圍巖變形大，支護(hù)困難，給礦井安全生產(chǎn)造成一定的影響。因此針對(duì)動(dòng)壓巷道變形特征，采取有效的圍巖加固方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

永紅煤礦主采3號(hào)煤層，平均厚度6.26 m，平均埋深280 m，煤層傾角平均3.5°，為近水平開(kāi)采煤層。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頂板為黑灰色粉砂巖、泥巖，易垮落；底板為深灰、黑灰色泥巖。該礦井下有沿礦界布置的3條主下山，分別為回風(fēng)下山、膠帶下山和材料下山。3條下山布置如圖1所示，3條下山支護(hù)方式均為砌碹支護(hù)?；仫L(fēng)下山以北為相鄰煤礦工作面采空區(qū)，材料下山以南為回采工作面。3條下山受多次采動(dòng)影響，圍巖嚴(yán)重變形，嚴(yán)重影響著工作面的安全生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)巷道破壞如圖2所示。

圖1 3條下山位置示意

圖2 巷道圍巖破壞情況

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)鉆孔柱狀圖建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，如圖3所示。模擬煤層傾角為0°，模型尺寸：長(zhǎng)×寬×高=250 m×20 m×70 m。模型共劃分16 000個(gè)單元，32 522個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型頂部為應(yīng)力邊界，施加上覆巖層重力5.5 MPa，側(cè)壓系數(shù)為1；底部為位移邊界，限制垂直位移；左右邊界限制水平位移。計(jì)算時(shí)采用的煤巖物理力學(xué)參數(shù)為實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 掘進(jìn)后下山圍巖破壞情況

掘巷后下山巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖4所示。下山掘出后圍巖應(yīng)力重新分布，受集中應(yīng)力的影響，在頂?shù)装寮皟蓭途霈F(xiàn)一定范圍的塑性區(qū)，且范圍大致相同，均為3.5～4.0 m；由于3條下山間煤柱較寬，掘進(jìn)期間互相影響較弱。

圖4 掘巷后下山巷道圍巖塑性區(qū)分布

2.2.2 一次采動(dòng)后下山圍巖破壞情況

一次采動(dòng)后下山巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。可知，3條下山受工作面采動(dòng)影響，圍巖破壞范圍均有一定程度上的增加，其中，由于相鄰煤礦工作面在回風(fēng)下山一側(cè)，所以回風(fēng)下山巷道圍巖塑性區(qū)范圍增大比較明顯，其左幫圍巖塑性區(qū)范圍達(dá)到7 m，與掘巷后相比增加了3 m，右?guī)蛧鷰r塑性區(qū)增加了2 m。

圖5 一次采動(dòng)后下山巷道圍巖塑性區(qū)分布

2.2.3 二次采動(dòng)后下山圍巖破壞

二次采動(dòng)后下山巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖6所示?？芍?，3條下山受二次采動(dòng)的影響，下山巷道圍巖破壞范圍進(jìn)一步增加。由于本工作面在材料下山一側(cè)，所以材料下山巷道圍巖塑性區(qū)范圍增大比較明顯，其左幫圍巖塑性區(qū)范圍為5.5 m；右?guī)蛧鷰r塑性區(qū)范圍為7.5 m，與一次采動(dòng)后相比增加了3.5 m，變化比較明顯。

圖6 二次采動(dòng)后下山巷道圍巖塑性區(qū)分布

綜上分析，3條下山開(kāi)挖后，在頂?shù)装寮皟蓭途霈F(xiàn)一定范圍的塑性區(qū)，且范圍大致相同。受到相鄰工作面回采的影響，下山的塑性區(qū)破壞范圍進(jìn)一步增加，尤其對(duì)于回風(fēng)下山和材料下山靠近回采工作一側(cè)的影響最大，必須要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

3 注漿加固技術(shù)

注漿是巷道圍巖加固的一種有效方法，其實(shí)質(zhì)就是向存在大量裂隙的破碎煤巖體內(nèi)注入漿液，使破碎的煤巖體重新膠結(jié)成整體，提高自承載能力，從而提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3.1 注漿材料的選型

注漿材料選用ZKD高水速凝材料，該材料能在高水灰比條件下快速凝結(jié)并固化成為有一定強(qiáng)度的固結(jié)體，具有用水量大，固結(jié)料用量少等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 注漿工藝

由于ZKD型高水速凝材料分主料和配料兩部分，兩部分分別加水?dāng)嚢璨荒蹋旌虾笱杆倌?；考慮到井下施工條件限制、難以嚴(yán)格控制注漿時(shí)間等，最終選擇雙液注漿系統(tǒng)，將主料和配料兩部分分別加水?dāng)嚢?，分別由泵送入巷道破碎巖體內(nèi)部。

3.3 注漿參數(shù)選擇

1) 水灰比。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件，設(shè)定注漿漿液水灰比1.4∶1。

2) 注漿壓力。注漿時(shí)先零壓力充填大的裂隙空間，當(dāng)大的裂隙空間充填結(jié)束后再進(jìn)行注漿，注漿壓力設(shè)定為2.0～2.5 MPa。

3) 注漿量。單孔注漿量根據(jù)下式計(jì)算：

Q=AHπL2βλ

式中：A為漿液損耗系數(shù)，1.3～1.5；H為注漿管有效長(zhǎng)度，m；L為漿液擴(kuò)散半徑，m；β為孔隙率，1%～5%；λ為漿液的充填系數(shù)，0.6～1.0。

4) 注漿孔布置。為了確保漿液能夠均勻滲透到破碎圍巖中，3條下山注漿孔布置如圖7所示，沿巷道延伸方向間隔2 m，每個(gè)斷面布置6個(gè)孔，頂板注漿孔與豎直方向夾角45°，垂直頂板向上；幫部注漿孔左右各布置2個(gè)，間距1 000 mm。注漿孔直徑42 mm，孔深2 400 mm。

圖7 注漿孔布置示意(mm)

注漿管采用長(zhǎng)1.5 m、直徑20 mm的鋼管，如圖8所示，封孔長(zhǎng)度為1.2 m，在里段1.20 m和1.35 m處分別打D6 mm的漿液擴(kuò)散孔，外端加工30 mm螺紋，注漿作業(yè)完成后作錨桿使用。

圖8 注漿管加工示意(mm)

4 注漿效果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證注漿效果，采用鉆孔窺視儀對(duì)注漿試驗(yàn)段巷道圍巖進(jìn)行觀測(cè)，分析巖體膠結(jié)效果。在試驗(yàn)段巷道圍巖中隨機(jī)采取煤巖樣，檢查圍巖注漿后的膠結(jié)情況。

由于篇幅所限僅選取了材料下山頂板2 m、回采側(cè)幫部2 m位置處注漿前后巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖9所示。由圖可以看出，材料下山頂板未注漿前較為破碎，注漿后明顯看出巖體膠結(jié)成為了一個(gè)整體，進(jìn)一步提高了下山巷道頂板的穩(wěn)定性；回采幫受到采動(dòng)影響最大，注漿前幫部圍巖破損嚴(yán)重，注漿后將周圍破損巖體進(jìn)行了膠結(jié)，增強(qiáng)了幫部巖體強(qiáng)度。

圖9 材料下山圍巖注漿前后內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化

圖10為材料下山試驗(yàn)段巷道頂板取出的膠結(jié)塊體，可以看出，材料下山試驗(yàn)段巷道圍巖注漿后，頂板破碎巖體內(nèi)部裂隙已經(jīng)被漿液充填，重新膠結(jié)為整體，且具有一定的強(qiáng)度，充分證明注漿效果良好，下山巷道圍巖強(qiáng)度提高。

圖10 材料下山試驗(yàn)段巷道頂板注漿效果

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)動(dòng)壓影響下3條下山進(jìn)行數(shù)值模擬分析，下山巷道受到工作面回采影響較大，靠近工作面?zhèn)葒鷰r變形最為嚴(yán)重。

2) 采取注漿加固措施來(lái)保證圍巖穩(wěn)定性，并對(duì)注漿材料選擇、注漿孔布置、注漿量、注漿工藝等進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

3) 通過(guò)對(duì)注漿前后巷道頂板窺視，注漿后圍巖現(xiàn)場(chǎng)取樣分析，得出通過(guò)對(duì)下山破碎區(qū)域進(jìn)行注漿加固，破碎巖體實(shí)現(xiàn)了充分膠結(jié)，圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)。