近距離下伏煤層巷道注漿加固方法研究

王恩博

(晉能控股煤業(yè)集團 生產(chǎn)技術(shù)部，山西 大同 048200)

我國地下煤礦開采中，近距離煤層分布廣泛，當(dāng)上伏煤層工作面回采至距下伏煤層巷道一定距離時，對底板巖層造成一定范圍的高應(yīng)力區(qū)及塑性破壞區(qū)，易導(dǎo)致下伏煤層巷道發(fā)生嚴(yán)重變形[1-3]。對巷道進行有效加固是保障巷道穩(wěn)定的重要前提，鉆孔注漿加固技術(shù)是解決這類問題的有效手段[4-6]。為此，在近距離煤層回采中，下伏煤層巷道實施有效合理的加固方法，對于工作面安全回采至關(guān)重要。

在巷道注漿加固研究方面，李超嵩[7]對空巷變形破壞特征進行了分析，提出了采用注漿充填技術(shù)控制空巷圍巖的方法；李勝利等[8]提出采用超前錨注可有效增加巷幫煤體的強度和完整性，取得了良好加固效果；馬新世等[9]分析了巷道圍巖注漿改性機理及巷道圍巖注漿力學(xué)模型,提出了“分層掘進+滯后高壓注漿+強力錨索支護”的礦壓控制方案，有效控制了巷道圍巖變形。通過分析前人研究成果，對于巷道圍巖控制主要集中于注漿機理、超前錨注與強力支護技術(shù)方面，對于近距離煤層下伏巷道分段注漿方法有待深入研究。

本文以某礦近距離煤層開采條件為工程背景，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合方法，研究了近距離煤層巷道變形特征，提出了巷道分段注漿加固方法，可為近距離煤層巷道穩(wěn)定性控制提供工程指導(dǎo)。

1 工程概況

山西某煤礦主要可采煤層為9號煤與10號煤，兩煤層平均間距為11.5 m，煤層平均傾角為5°，屬于典型的近距離煤層。其中9號煤平均厚度為3.6 m，10號煤平均厚度為2.8 m，采用綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。9號煤頂板為石灰?guī)r，底板為泥巖，10號煤直接底為砂質(zhì)泥巖，基本底為中粒砂巖，礦山實測綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 礦山實測綜合柱狀圖

10號煤層回風(fēng)巷道沿煤層底板布置，巷道斷面為寬×高=4.8 m×4.4 m(圖2)，采取“錨桿(索)+金屬網(wǎng)+噴射混凝土”支護方式。由于巷道頂板泥巖強度差及節(jié)理發(fā)育，受上伏9號煤層工作面回采影響，10號煤層回風(fēng)巷道變形嚴(yán)重。在此期間，礦山采取的巷道擴幫返修措施，返修率高達65.5%，但是巷道穩(wěn)定性并未得到有效控制。通過現(xiàn)場調(diào)查，回風(fēng)巷道的破壞形式主要表現(xiàn)為頂板下沉與兩幫擠出變形，巷道兩幫最大移近量達735 mm，頂板最大下沉量達781 mm，對工作面安全回采構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為此，需要研究近距離煤層條件下巷道圍巖加固方法，以保障下伏煤層巷道穩(wěn)定及工作面安全回采。

圖2 回風(fēng)巷道與煤層位置關(guān)系

2 近距離煤層巷道變形特征分析

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

研究采用數(shù)值模擬方法，對近距離煤層回采過程中下伏煤層巷道變形特征進行分析，所構(gòu)建的數(shù)值模型尺寸為長×寬×高=350 m×40 m×50 m，模型四周及底部邊界進行位移約束，頂部施加垂直載荷等效于上覆巖層容重。煤巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 巷道垂直應(yīng)力變化特征

隨工作面推進，下伏煤層巷道應(yīng)力分布情況見圖3.當(dāng)工作面與巷道水平距離為50 m時，巷道垂直應(yīng)力峰值為15.4 MPa，巷道底板存在一定卸壓區(qū)域；工作面距巷道水平距離為35 m時，巷道所受垂直應(yīng)力最高為18.9 MPa；工作面距巷道水平距離為20 m時，巷道所受垂直應(yīng)力最高為27.6 MPa，此時巷道處于高應(yīng)力作用區(qū)，是巷道變形的最嚴(yán)重階段；工作面距巷道水平距離為0 m時，巷道所受垂直應(yīng)力最高為15.7 MPa，巷道所受應(yīng)力顯著降低，已避開高應(yīng)力作用區(qū)?？梢钥闯?，隨下伏煤層工作面推進，應(yīng)力發(fā)展表現(xiàn)為先增加后降低趨勢，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在工作面距巷道水平距離20 m位置。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

2.3 巷道位移分布特征

根據(jù)前述應(yīng)力分布特征研究結(jié)果，當(dāng)上伏煤層工作面與巷道水平距離為20 m時，巷道所受應(yīng)力達到最高，這一時期巷道位移分布情況見圖4.工作面距巷道20 m時，巷道頂頂板最大下沉量為778 mm，底板最大底鼓量為250 mm，巷道兩幫最大移近量約為732 mm.可以看出，這一時期巷道頂板及兩幫變形嚴(yán)重，底板變形相對較小。

圖3 隨工作面推進巷道垂直應(yīng)力云圖

圖4 距離為20 m時巷道位移云圖

綜合分析，隨上伏煤層工作面推進，當(dāng)上伏煤層工作面與巷道水平距離為20 m時，下伏煤層巷道垂直應(yīng)力峰值最高可達27.6 MPa，巷道變形發(fā)展以頂板下沉及兩幫擠出變形為主，巷道頂板及兩幫最大變形量分別達778 mm與732 mm，必須對巷道頂板及兩幫圍巖采取加固措施，以保障巷道的穩(wěn)定性。

3 巷道圍巖合理注漿參數(shù)確定

3.1 注漿深度確定

通過上述分析，當(dāng)上伏煤層工作面距巷道水平距離達20 m時，在劇烈的采動應(yīng)力影響下，巷道變形嚴(yán)重，為此研究提出對處于高應(yīng)力區(qū)的巷道圍巖采取注漿加固方法，注漿材料選用425型硅酸鹽水泥，水灰比為0.8∶1，為增強漿體流動性，在注漿材料中加入5%的減水劑。合理的注漿深度是保障巷道注漿效果的重要因素，需要進行系統(tǒng)分析。

通過現(xiàn)場對巷道頂板及兩幫圍巖進行鉆孔窺視，可以掌握孔內(nèi)裂隙分布特征，據(jù)此確定出合理的注漿深度。巷道頂板鉆孔窺視結(jié)果見圖5.可以看出，對于巷道頂板在淺部0.45 m深度較破碎，深度在4.18 m處環(huán)向裂隙發(fā)育顯著，存在一定程度的離層現(xiàn)象，在深度7.23 m處圍巖整體完整性較好，僅存在少量的縱向微裂隙。

圖5 巷道頂板鉆孔窺視圖

巷道兩幫鉆孔窺視結(jié)果見圖6.可以看出，孔內(nèi)裂隙發(fā)育主要以縱向發(fā)展為主，在1.24 m深度與3.78 m深度位置裂隙發(fā)育顯著，在7.85 m深度位置圍巖較完整，存在少量的微裂隙，巷道兩幫圍巖塑性區(qū)主要位于淺部。

綜合分析，巷道頂板及兩幫圍巖在3.78 m深度時裂隙發(fā)育且破碎，在7.85 m深度時圍巖塑性區(qū)發(fā)展得到限制，僅存在少量微裂隙。為此，對于注漿深度的選擇，分兩部分進行，其中淺部注漿深度取4 m，深部注漿深度取8 m.

圖6 巷道兩幫鉆孔窺視圖

3.2 注漿壓力確定

注漿壓力是影響巷道注漿加固效果的另一重要因素，與對于注漿壓力的確定，研究采用數(shù)值模擬方法進行分析，利用COMSOL軟件模擬不同注漿壓力下巷道圍巖的注漿效果。構(gòu)建的數(shù)值模型尺寸為長×寬×高=30 m×30 m×10 m，模型四周及底部進行位移約束，模型頂部施加垂向均布載荷等效于上覆巖層重量，根據(jù)現(xiàn)場巷道圍巖裂隙情況，確定數(shù)值模擬用漿體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

根據(jù)數(shù)值結(jié)果，計算得到不同注漿壓力下巷道圍巖表面受力情況，見圖7.可以看出，隨著注漿壓力的增加，漿液對圍巖施加的壓力隨之增加，并迅速趨于穩(wěn)定。由于巷道表面裂隙圍巖的極限抗拉強度約為0.62 MPa，對于淺部注漿，如圖7(a)所示，當(dāng)注漿壓力為3 MPa時，漿體對圍巖施加最大壓力約為0.58 MPa，接近圍巖極限抗拉強度，如果繼續(xù)增加注漿壓力，在漿體壓力沖擊作用下，可能導(dǎo)致圍巖破裂，達不到預(yù)期效果，為此淺部注漿合理壓力值取0.3 MPa.對于深部注漿，當(dāng)淺部注漿完成后，圍巖強度可提高75%～95%，此時圍巖表面最大極限抗拉強度將達1.21 MPa，由圖7(b)可以看出，當(dāng)深部注漿壓力為6 MPa時，漿體對圍巖的最大壓力值達1.19 MPa，為此深部注漿合理壓力值取6 MPa.

綜合分析，確定淺部鉆孔注漿深度為4 m，注漿壓力為3 MPa；深部鉆孔注漿深度為8 m，注漿壓力為6 MPa.

4 巷道圍巖鉆孔注漿加固方法

通過上述分析，確定了合理注漿參，進行鉆孔注漿時，先對淺部巷道圍巖實施注漿加固，淺部注漿完成后再對深部巷道圍巖實施注漿加固，巷道頂板及兩幫注漿鉆孔布置形式見圖8.

圖7 不同注漿壓力下巷道圍巖所受壓力值

圖8 巷道注漿鉆孔布置圖

在巷道頂板每排布置3個注漿鉆孔，其中中間鉆孔沿巷道中心線垂直頂板布置，兩側(cè)鉆孔與巷道頂板垂線呈45°夾角布置；巷道兩幫每排布置2個注漿鉆孔，鉆孔與巷道邊幫水平面呈15°夾角，上部鉆孔距巷道拱腳處600 mm，下部鉆孔距巷道底角600 mm，進行注漿時，對淺孔注漿完成后進行掃孔，隨后再對深孔進行注漿。注漿設(shè)備采用ZBSB系列電動注漿泵，所用攪拌桶直徑為1 000 mm，高度為800 mm，高壓膠管直徑為30 mm.

5 巷道注漿加固效果分析

針對近距離煤層回采過程中，下伏煤層巷道頂幫及兩幫變形嚴(yán)重問題，研究提出的巷道鉆孔注漿加固方法在礦山現(xiàn)場進行了工程實踐，為驗證該方法的可靠性，對巷道注漿加固前后變形情況進行監(jiān)測對比分析，監(jiān)測結(jié)果見圖9.

圖9 回風(fēng)巷道底板垂直位移監(jiān)測結(jié)果

由圖8可以看出，對巷道進行注漿加固后，巷道頂板及兩幫位移增長趨勢緩慢，與注漿加固前相比，位移顯著降低。當(dāng)巷道變形趨于穩(wěn)定后，頂板最大下沉量為327 mm，兩幫最大移近量為295 mm；巷道未實施注漿加固前，頂板最大下沉量為781 mm，兩幫最大移近量為735 mm.巷道進行注漿加固后，巷道頂板及兩幫最大位移分別降低了58.1%與59.9%，對下伏煤層巷道變形實現(xiàn)了有效控制。

6 結(jié) 語

1) 隨下伏煤層工作面推進，巷道所受應(yīng)力表現(xiàn)為先增加后降低趨勢，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在工作面距巷道水平距離20 m位置，垂直應(yīng)力最高可達27.6 MPa，巷道變形發(fā)展以頂板下沉及兩幫擠出變形為主，巷道頂板及兩幫最大位移分別為675 mm與635 mm，必須對巷道頂板及兩幫圍巖采取加固措施。

2) 通過現(xiàn)場對巷道頂板及邊幫圍巖進行鉆孔窺視，巷道頂板及兩幫圍巖在3.78 m深度時裂隙發(fā)育且破碎，在7.85 m深度時圍巖穩(wěn)定性較好，確定淺部注漿深度為4 m，深部注漿深度為8 m.

3) 隨著注漿壓力的增加，漿液對圍巖施加的壓力也隨之增加，并迅速趨于穩(wěn)定，以圍巖極限抗拉強度為標(biāo)準(zhǔn)，確定淺部鉆孔注漿壓力為3 MPa，深部鉆孔注漿壓力為6 MPa.

4) 通過現(xiàn)場圍巖注漿加固實踐，研究提出的近距離下伏煤層巷道注漿加固方法，與巷道注漿加固前相比，巷道頂板及兩幫最大位移分別降低了58.1%與59.9%，對下伏煤層巷道變形實現(xiàn)了有效控制。