老窯溝煤業(yè)松軟破碎煤巷注漿加固技術(shù)及應(yīng)用

王文忠

(山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700)

1 工程概況

老窯溝煤業(yè)50106工作面位于501采區(qū)，主采5號煤層，工作面呈矩形，走向長度964 m，可采長度664 m，傾向長度150 m。5號煤層煤厚7.70～12.65 m，平均11.55 m，煤層傾角平均為10°，屬結(jié)構(gòu)較簡單的特厚煤層，含夾矸1～2層，巖性為砂質(zhì)泥巖和泥巖，平均埋深262 m。工作面煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

50106工作面采用放頂煤開采，工作面機(jī)采高度為3.2 m，放煤高度8.35 m，采放比1∶2.6。在工作面回采的過程中，由于5號煤層煤體節(jié)理裂隙發(fā)育，易破碎，加之工作面頂?shù)装逯械哪鄮r強(qiáng)度較低，導(dǎo)致回采巷道在采動應(yīng)力的作用下發(fā)生嚴(yán)重變形。因此，為保證50106工作面的正常回采，在巷道原有支護(hù)的基礎(chǔ)上實(shí)施注漿加固技術(shù)。

2 巷道注漿加固機(jī)理及注漿材料

2.1 注漿加固機(jī)理

由于5號煤體較破碎且厚度較厚，因此，考慮采用深淺孔聯(lián)合注漿的工藝進(jìn)行巷道加固，注漿工藝如圖1所示。

圖1 深淺孔聯(lián)合注漿工藝

注漿時先用低壓對淺孔進(jìn)行注漿，具有膠結(jié)性的漿體可以封堵淺部破碎圍巖的裂隙，提高圍巖的完整性，并可防止后續(xù)注漿時的漿液漏出；再用高壓對深孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿加固，使深部圍巖的承載能力得到提升。

2.2 注漿材料

選用無機(jī)膠結(jié)材料進(jìn)行注漿，其主要成分為礦粉，其對巖體的黏結(jié)性要優(yōu)于水泥材料，并且還具有凝結(jié)期短、凝固強(qiáng)度高等優(yōu)勢。不同水灰比下漿液凝結(jié)后的抗壓強(qiáng)度如表2所示。

表2 不同水灰比下漿液凝結(jié)強(qiáng)度

由表2可知，水灰比為0.6∶1時，漿液凝固后的抗壓強(qiáng)度最高，凝結(jié)初期6 h后便可達(dá)到19.8 MPa，25 d后完全凝固，最終抗壓強(qiáng)度達(dá)到了24.1 MPa，可以滿足對巷道圍巖注漿加固的技術(shù)需求。

3 注漿加固方案

3.1 注漿參數(shù)的確定

根據(jù)50106工作面實(shí)際賦存條件及巷道布置情況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，模擬分析巷道圍巖受采動影響后的垂直應(yīng)力分布及塑性區(qū)分布情況，為注漿參數(shù)的確定提供依據(jù)。

3.1.1 注漿時機(jī)

在建立的模型上首先開掘巷道并計算至平衡，隨后分步開挖工作面，對工作面前方的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行模擬分析，工作面回采時前方垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 工作面前方垂直應(yīng)力分布曲線圖

1) 在超前工作面0～7 m的范圍內(nèi)為裂隙發(fā)育區(qū)，該區(qū)域的圍巖垂直應(yīng)力增幅較大，其應(yīng)力峰值達(dá)到了67.1 MPa，是原巖應(yīng)力的4.2倍，此區(qū)域圍巖在高應(yīng)力下破碎程度較高，漿液容易竄流至工作面，因此不易在此時注漿。

2) 超前工作面7～30 m為裂隙較發(fā)育區(qū)，該區(qū)域的圍巖垂直應(yīng)力逐漸下降，但仍高于原巖應(yīng)力，破碎程度低于裂隙發(fā)育區(qū)，有利于漿液的擴(kuò)散，并且不會發(fā)生漏漿的現(xiàn)象，注漿效果較好。

3) 距工作面30 m之后的煤巖體處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，基本不受采動影響，裂隙發(fā)育不明顯，完整性較高，不利于漿液的擴(kuò)散。

綜上所述，合理的注漿時機(jī)應(yīng)為超前工作面7～30 m的位置。

3.1.2 注漿孔長度

注漿孔長度也是影響注漿效果的重要參數(shù)之一，通過模擬分析工作面回采后巷道圍巖的塑性區(qū)分布情況進(jìn)行確定，工作面回采后巷道圍巖的塑性區(qū)分布如圖3所示。

圖3 工作面前方垂直應(yīng)力分布圖

由圖3可知，工作面回采后，巷道圍巖的塑性區(qū)分布表現(xiàn)為不對稱性，其中回采側(cè)巷幫的破壞深度為3 m，煤柱側(cè)巷幫和頂板的破壞深度均為2 m，底板為拉破壞，破壞深度為1 m。由模擬結(jié)果可知，巷道的最大破壞深度為3 m，因此確定注漿淺孔的長度為3 m。原支護(hù)中的錨索長度為7.2 m，深孔注漿應(yīng)覆蓋錨索支護(hù)范圍內(nèi)的圍巖，因此確定注漿深孔長度為9 m。

3.1.3 注漿壓力

合理的注漿壓力既有利于漿液的擴(kuò)散，又可以保證漿液有效凝結(jié)，但注漿壓力不宜過高，否則會對圍巖造成二次破壞。結(jié)合礦井實(shí)際及以往類似工程經(jīng)驗，確定3 m淺孔的注漿壓力控制在3 MPa到5 MPa之間，9 m深孔的注漿壓力控制在7 MPa到9 MPa之間。

3.2 注漿鉆孔設(shè)計

1) 巷幫注漿淺孔設(shè)計。巷幫淺孔采用3-3矩形布置，每豎排布置3個鉆孔，鉆孔橫向排距為3 000 mm，縱向間距為1 200 mm。其中，上側(cè)鉆孔距頂板700 mm，向上仰斜15°施工；下側(cè)鉆孔距底板700 mm，向下俯斜5°施工；中間鉆孔垂直于巷幫施工。

2) 巷幫注漿深孔設(shè)計。巷幫深孔采用3-3矩形與淺孔交錯布置，每豎排布置3個鉆孔，鉆孔橫向排距為3 000 mm，縱向間距為1 000 mm。其中，上側(cè)鉆孔距頂板900 mm，向上仰斜10°施工；下側(cè)鉆孔距底板900 mm，向下俯斜5°施工；中間鉆孔垂直于巷幫施工。巷幫深淺孔聯(lián)合布置如圖4所示。

圖4 巷幫深淺注漿孔聯(lián)合布置圖(mm)

4) 頂板注漿孔設(shè)計。頂板注漿孔以“2-3-2”形式的深孔淺孔交錯式布置，鉆孔間距為2 000 mm，排距為3 000 mm，均垂直于頂板施工。頂板注漿鉆孔如圖5所示。

圖5 頂板深淺注漿孔布置圖(mm)

注漿施工時，應(yīng)先對巷道兩幫進(jìn)行注漿加固，巷幫注漿完成后再對頂板進(jìn)行注漿加固，同時，各區(qū)域在注漿過程中均先采用低壓對淺孔進(jìn)行注漿，以封堵淺部圍巖裂隙，再用高壓進(jìn)行深孔注漿。

4 應(yīng)用效果分析

為分析50106工作面回采巷道破碎煤巖體注漿加固的控制效果，在巷道加固區(qū)域采用十字布點(diǎn)發(fā)對圍巖的表面位移進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 巷道位移監(jiān)測結(jié)果

巷道在未注漿加固之前，頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃问諗枯^為嚴(yán)重，其頂板下沉量達(dá)190 mm，底板鼓起量最大為118 mm，兩幫最大移近量達(dá)370 mm。在采用注漿加固技術(shù)后，巷道圍巖的變形量先逐漸增加，并于18 d后逐漸穩(wěn)定，其頂板最大下沉量為52 mm，較未注漿加固前降低了72.6%；底板最大鼓起量為40 mm，較未注漿加固前降低了66.1%；兩幫最大移近量為74 mm，較未注漿加固前降低了80.0%，說明該注漿加固方案有效保證了破碎煤巖體條件下的巷道穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

為保證松軟破碎煤巖體條件下的巷道穩(wěn)定性，根據(jù)老窯溝煤業(yè)50106工作面的賦存特征，對巷道圍巖注漿加固的機(jī)理進(jìn)行分析，提出了深淺孔聯(lián)合注漿加固技術(shù)。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對工作面回采后的超前垂直應(yīng)力分布及巷道塑性區(qū)分布進(jìn)行模擬分析，確定出合理的注漿時機(jī)為超前工作面7～30 m，深、淺注漿孔長度分別為9 m和3 m，并對注漿壓力及鉆孔布置方案進(jìn)行了設(shè)計?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，巷道實(shí)施注漿加固技術(shù)后，圍巖的變形量大幅降低，滿足工作面的正常生產(chǎn)需求，控制效果良好。